Brevet FR2549589A3 — publié le 19850125

FR 2549589 A3 19850125 FR 8312088 A 19830721 RECUPERATEUR DE CHALEUR DE FUMEES A TEMPERATURE ELEVEE L'invention concerne un récupérateur de fumées b température élevée, notamment pour four de réchauffage de produits sidérurgiques, tels que des brames d'acier. Le récupérateur considéré est du type comprenant une veine pour la circulation des fumées chaudes à refroidir et une veine pour la circulation d'un fluide froid à réchauffer , les deux veines étant séparées par une paroi d'échange thermique. Les fours qui équipent les installations de laminoirs pour produits plats (trains à bandes ou à tales fortes) sont des outils de masse et de gros consommateurs d'énergie. Pour fixer les idées, un train à bandes produisant 4 millions de tonnes d'acier par an comporte en général 3 à 4 de ces fours, dont chacun consomme environ 40 000 à 50 000 t.e.p. (tonne-équivalent de pétrole) de gaz ou de fuel lourd par an. Les brames d'acier y sont réchauffées avant laminage à des températures élevées, (de l'ordre de 12000) et les fumées sortant de l'enceinte de combustion sont elles-mêmes à des températures de l'ordre de 10000C. Une partie de l'énergie thermique de ces fumées est cependant recyclée par l'intermédiaire d'un échangeur (ou récupérateur) placé sur le conduit des fumées et servant à préchauffer l'air de combustion envoyé aux brOleurs. Les récupérateurs actuels peuvent induire des économies de combustible de l'ordre de 1000 à 5000 tep. par four et par an. Les technologies des récupérateurs utilisés actuellement peuvent être réparties en trois familles - les récupérateurs "céramique", constitués d'empilages réfractaires, admettent des fumées atteignant 14000C, mais sont handicapés dans leurs performances et dans leur exploitation par la contrainte d'un fonctionnement en dépression (ventilateur d'air situé entre le récupérateur et le four). Ces récupérateurs sont en voie d'être abandonnés ; - les récupérateurs métalliques à rayonnement, qui équipent la plupart des fours à brames français, sont constitués d'une grosse conduite d'évacuation des fumées et d'une conduite concentrique externe, l'air parcourant l'espace annulaire.Ces appareils admettent des fumées à des températures allant jusqu'à 11000C, mais leurs rendements actuels sont inférieurs à 30 % malgré leurs dimensions imposantes (hauteurs de 11 ordre de 30m) ; - les récupérateurs tubulaires à convection sont composés de tubes métalliques minces traversant le conduit des fumées et alimentés par de l'air à grande vitesse. La tenue des tubes limite à environ 9000C la température des fumées à l'entré ; aussi ce type d'appareil est-il parfois mis en série avec un récupérateur à rayonnement ("récupérateur mixte"). Pratiquement, les récupérateurs à convection conduisent toujours à des rendements de récupération satisfaisants (40 %), voire très bons (70 S) lorsqu'on les dote d'une grande surface d'échange. Pour améliorer la récupération sur les fours actuels, il ne suffit pas pour autant de remplacer leurs récupérateurs à rayonnement par des appareils à convection. En effet, les températures de fumées pratiquées dépassent souvent 10000C et la protection des tubes convectifs ne peut être assurée de manière satisfaisante par la seule dilution des fumées : ceci conduirait à perdre sur l'efficacité de échange ou à surdimensionner l'appareil. Pratiquement, l'on est souvent amené à appliquer la solution mixte, consistant à protéger le récupérateur à convection par une première partie à rayonnement. Mais, cette solution conduit à un investissement élevé (de l'ordre de 10 y du prix d'un nouveau four) et à des travaux de grande envergure (immobilisation d'un four sur au moins 1 mois) qui ne pourront être réalisés sur les fours d'une batterie que de manière échelonnée dans le temps (sur une période de 5 ans par exemple). I1 apparait alors particulièrement intéressant d'améliorer les appareils à rayonnement actuels. Tel est le but de l'invention. Ce but est atteint grâce à un corps placé dans la veine de fumées, présentant une surface ayant des propriétés rayonnantes, et sensiblement exempt de ponts thermiques avec la paroi d'échange. Ce corps sert alors de relais radiatif. L'inventeur a pu montrer que cette disposition est d'autant plus efficace que la température élevée du corps sert exclusivement aux transferts par rayonnement, et non par conduction, vers la paroi d'échange. Avantageusement, le corps est suspendu dans la veine de fumées, laquelle est verticale. Selon un premier mode de réalisation, le corps affecte la forme d'un ou plusieurs panneaux disposés dans des plans diamétraux de la veine de fumées. Selon un deuxième mode de rSalisation, le corps affecte la forme d'un cône dont le sommet est tourné vers l'amont de la veine de fumées, dans le sens de circulation des fumées. Selon un troisième mode de réalisation, le corps affecte la forme d'une bande hélicoidale coaxiale à la veine de fumées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante des trois modes préférés de réalisation. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe transversale d'un récupérateur équipé du premier mode de réalisation de corps radiatif ; - les figures 2 et 3 sont des coupes diamétrales verticales d'un récupérateur équipé respectivement des deuxième et troisième modes de réalisation de corps radiatif. Les figures 1 à 3 montrent la veine cylindrique verticale 1 de circulation de fumées, entourée concentriquement par la veine annulaire 2 de circulation d'air. La veine 2 peut être le cas échéant constituée de deux tronçons 2a, 2b dans lesquels l'air circule respectivement à co-courant et à contre-courant des fumées de la veine 1. L'air froid est introduit par les conduites 3 placées en extrémité, et récupéré après son réchauffage, par les conduites intermédiaires 4. Les fumées circulent de bas en haut de la veine 2, dans laquelle elles entrent à des températures de l'ordre de 10000C à 12000, en provenance de l'enceinte de combustion d'un four de réchauffage de brames (non représenté). Les veines 2 et 3 sont séparées par la paroi cylindrique d'échange thermique 5. Sur la figure 1, le corps rayonnant 6 est un croisillon constitué par deux plaques métalliques perpendiculaires, placées dans des plans diamétraux de la veine 1, et donc n'entravant pas le passage des fumées. Le corps est de préférence suspendu dans la veine par une suspension non représentée. Il- peut également être maintenu sur la paroi d'échange 5 par des liaisons mécaniques thermiquement isolantes, l'essentiel étant de minimiser les ponts thermiques entre le corps 6 et ladite paroi 5, afin de permettre à la plaque d'atteindre une température élevée augmentant le rayonnement émis (lequel croit avec le puissance quatrième de la température). Selon un autre aspect de l'invention, on tente également d'améliorer la part (certes non prépondérante) d'échanges thermiques par convection, en donnant au corps interposé dans la veine de fumées la fonction additionnelle de rétablir dans la veine un régime d'écoulement transitoire. En effet, l'inventeur a découvert que la longueur d'établissement du régime turbulent dans la veine de fumée, laquelle dépend d'ailleurs de la géométrie exacte de l'entrée de la veine, est de plusieurs fois le diamètre de la veine, mais est toutefois inférieure en général å la longueur de celle-ci. Ors l'échange convectif est plus élevé dans la zone d'établissement du régime turbulent que dans la zone de régime turbulent établi.C'est pourquoi, selon l'invention, il est avantageux d'interposer dans la veine 1 un corps 6'- (fig. 2) ayant la forme d'un cône renversé dont la surface conique rayonnante augmente les échanges radiatifs tandis que le maltre-couple transversal du cône 6' impose aux fumées une modification de leur régime d'écoulement favorable aux échanges convectifs. Comme dans le mode de réalisation précédent, le cne-turbuleur 6' est sensiblement exempt de ponts thermiques avec la paroi 5. Le mode de réalisation de la figure 3 combine les avantages de deux modes de réalisation précédents : très grande surface rayonnante, et entretien permanent du régime transitoire d'écoulement des- fumées. Le corps 6" affecte à cet effet la forme d'une bande hélicoidale, coaxiale à la veine de fumées 1, et d'une largeur légèrement inférieure au rayon d'une section circulaire de cette veine. Là encore, le corps 6" peut être suspendu dans la veine ou fixé à la paroi par des fixations thermiquement isolantes. REVENDICATIONS 1) Récupérateur de chaleur de fumées à températures élevées, notamment pour four de réchauffage de produits sidérurgiques, du type comprenant une veine (1) pour la circulation des fumées chaudes à refroidir et une veine (2) pour la circulation d'un fluide froid 9 réchauffer, les deux veines étant séparées par une paroi d'échange thermique (5), caractérisé en ce qu'il comporte un corps (6,6',6") placé dans la veine de fumées (1), présentant une surface ayant des propriétés rayonnantes, et sensiblement exempt de ponts thermiques avec la paroi d'échange (5). 2) Récupérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (6,6',6") est suspendu dans la veine de fumées (1), laquelle est verticale. 3) Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (6) affecte la forme d'un ou plusieurs panneaux disposés dans des plans diamétraux de la veine de fumées (1). 4) Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (6') affecte la forme d'un cOne dont le sommet est tourné vers l'amont de la veine de fumées (1), dans le sens de circulation des fumées. 5) Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (6") affecte la forme d'une bande hélicoidale coaxiale à la veine de fumées (1).