Brevet FR2549215A1 — publié le 19850118

l 2549215 L'invention concerne des-échangeurs de chaleur moulés en matière réfractaire. Il existe de nombreux domaines de l'industrie dans lesquels on a besoin d'échangeurs de chaleur capa5 bles de travailler, à basses ou hautes températures, avec des fluides corrosifs et/ou abrasifs, étant entendu qu'en général on désigne par "basse température" une température inférieure à environ 700 C alors que par "haute température" on vise celles qui vont de 700 C à environ 10 1400 C. Des exemples non limitatifs de tels domaines sont les suivants: centrales thermiques au charbon ou au fuel lourd (réchauffeurs d'air travaillant sur des fumées 15 riches en SO 2 et en cendres abrasives); réchauffeurs d'air sur chaudières à soufre; foyers d'incinération produisant des fumées riches en Cl, HC 1, SO 2, SO 4 H 2 et NO 3 H; fours de grillage de minerai produisant des 20 fumées riches en Cl, SO 2 et oxydes métalliques; fours de verrerie produisant des fumées agressives; fours de métallurgie (fours poussant, fours Pitts) produisant des fumées riches en oxyde de fer; 25 fours de briquetteries et de cimenteries produisant des fumées riches en cendres abrasives; condenseurs de vapeurs agressives sur réacteurs de synthèse. La présente invention vise à fournir de nou30 veaux échangeurs de chaleur monolithiques produits par moulage d'une composition réfractaire, qui présentent l'avantage de pouvoir travailler dans des conditions beaucoup plus drastiques que les échangeurs de chaleur métalliques ou céramiques actuellement utilisés, tout 35 en étant notablement plus économiques que ces derniers, 2 2549215 tant du point de vue de leur fabrication que de leur maintenance. Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur à courants parallèles ou croi5 sés, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un corps monolithique moulé en matière réfractaire qui comprend en son sein, venu de moulage, au moins un canal pour le fluide à réchauffer et au moins un canal pour le fluide à refroidir en relation mutuelle d'échange de chaleur. 10 Ce corps peut être aussi éventuellement décomposé en plusieurs éléments modulaires monolithiques emboitables d'une masse supérieure à 500 kg. Pour le moulage de l'échangeur, on peut utiliser toute composition réfractaire présentant un faible 15 retrait(inférieur à 0,5 %) et une bonne coulabilité et donnant, après prise ou céramisation, une matière réfractaire ayant de bonnes propriétés de résistance à l'abrasion et aux agents chimiques ainsi qu'une faible perméabilité, c'est-à-dire inférieure à 5 nanoperms. Parmi ces compositions réfractaires et selon un mode de réalisation préféré, la matière réfractaire a la composition suivante, en % en poids: (i) 55-99 % de particules d'un matériau réfractaire fondu et coulé contenant une phase vitreuse, ce 25 matériau étant constitué principalement par les oxydes de zircone-silice, de zircone-silicealumine ou de zircone-silice-alumine-oxyde de chrome, ces particules ayant la distribution granulométrique suivante: 15-45 % de grains d'une grosseur de 2 à 5 mm, 20-40 % de grai30 nette d'une grosseur de 0,5 à 2 mm, 15-30 % de farine d'une grosseur de 40 micromètres à 0,5 mm et 0-40 % de fines d'une grosseur inférieure à 40 micromètres; (ii) 1 à 5 % d'un ciment hydraulique; et (iii) 1-15 % d'une charge constituée de par35 ticules d'une grosseur de 0,01 à 5 micromètres, 3 2549215 sensiblement sphériques, d'un oxyde de métal, la surface spécifique de ces particules étant supérieure à 5 m 2/g; la proportion de chacun des constituants (i), (ii), et (iii) étant donnée par rapport au total des ingrédients (i), (ii) et (iii). La matière réfractaire susmentionnée est décrite en détail dans le brevet français n 2 458 520 de la demanderesse De préférence, le constituant (ii) est un ciment superalumineux et le constituant (iii) 10 est constitué de silice vitreuse. Cette matière réfractaire présente la particularité d'avoir un très faible retrait (inférieur à 0,1 %) à la prise Cette propriété permet d'obtenir des structures complexes avec une grande précision géomé15 trique et d'introduire dans la masse des réseaux de canaux creux en matière organique sans apparition de fissures entre ces réseaux qui mettraient en communication les canaux de fluide à réchauffer avec les canaux de fluide à refroidir. Cette matière réfractaire présente une basse perméabilité aux gaz et aux liquides même sous pression, qui est inférieure à 1 nanoperm et en général de l'ordre de 0,3 nanoperm. La matière réfractaire préférée utilisée pour fabriquer les échangeurs de chaleur de l'invention se met en oeuvre comme un béton en la mélangeant intimement avant l'emploi avec une quantité d'eau comprise entre 3 et 25 %, de préférence entre 4 et 10 % en poids, et avec 0,01 à 1 % d'un agent dispersant tensio-actif par rapport au poids total des ingrédients (i) à (iii). D'autres matières réfractaires moulables, y compris des bétons réfractaires, pourraient toutefois être utilisés aussi et l'invention n'est aucunement limitée à l'emploi du type de matière réfractaire spécifi35 quement décrit ci-dessus. 4 2549215 Selon un mode de réalisation particulier, le corps de l'échangeur de chaleur comporte un premier réseau de canaux pour le fluide à réchauffer et un deuxième réseau de canaux pour le fluide à refroidir, 5 les canaux de ces réseaux étant en relation mutuelle d'échange de chaleur. Par "relation mutuelle d'échange de chaleur", on veut dire que les canaux des deux réseaux sont répartis dans le corps de façon qu'un canal du premier réseau 10 soit voisin d'au moins un canal du deuxième réseau Les canaux peuvent, à titre indicatif, être rectilignes, courbés ou coudés Les réseaux de canaux peuvent être parallèles, croisés ou obliques, comme on le désire La présente invention se prête très bien à 15 la réalisation de réseaux de canaux de forme complexe. Selon un mode de réalisation préféré, les canaux du premier réseau et ceux du deuxième réseau débouchent sur des faces différentes du corps de l'échangeur. Selon un autre mode de réalisation particulier, la matière réfractaire comprend, en outre, des fibres renforçantes, de préférence en acier inoxydable de courte longueur A titre indicatif, on peut incorporer 0,5 à 3 % en poids de telles fibres dans la composi25 tion réfractaire, de préférence environ 1,5 % en poids. Ces fibres renforcent les propriétés mécaniques du corps et améliorent la résistance aux variations thermiques de la matière réfractaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) disposition dans un coffrage ou moule ayant la forme désirée pour le corps de l'échangeur d'une pluralité de tubes et/ou profilés en matière organique,de préférence en matière plastique type PVC 2549215 rigide, positionnés et maintenus aux endroits correspondant aux emplacements désirés des canaux du corps. Pour cela on peut soit fixer les extrémités de ces tubes ou profilés saillant du coffrage ou moule, soit les maintenir en place par un ensemble de tamis notamment en fils d'acier inoxydable reliés au coffrage et ayant une maille correspondant au diamètre du tube Dans ce dernier cas, les divers tamis en fils d'acier utilisés demeurent dans la masse du réfractaire; b) coulée dans le coffrage ou moule de la matière réfractaire additionnée d'eau de mise en oeuvre avec application de moyens de compactage de la composition coulée; c) séchage du corps moulé, puis étuvage de ce 15 corps à une température suffisante pour provoquer l'élimination des tubes en matière organique noyes au sein du corps; et (d) éventuellement céramisation du corps par chauffage à une température élevée appropriée. De préférence, on utilise des tubes ou des profilés en chlorure de polyvinyle (en abrégé P V C). De tels tubes ou profilés, ainsi que des manchons et coudes permettant de réaliser toutes courbures désirées, sont aisément disponibles dans le commerce Après 25 l'étuvage, de tels tubes ou profiles laissent une empreinte parfaitement lisse. Comme moyens de compactage de la composition coulée, on peut utiliser des vibrations Ceci peut être obtenu, par exemple, en envoyant de l'air comprimé à basse fréquence dans quelques tubes ou profilés convenablement choisis ou en utilisant une table vibrante ou des vibrateurs appropriés du type vibrateurs pneumatiques ou électriques ou aiguille vibrante. Une fois la céramisation réalisée et le corps refroidi, on peut calorifuger ce dernier et le 6 2549215 protéger éventuellement par une enveloppe. Les échangeurs de l'invention présentent de nombreux avantages par rapport aux dispositifs conventionnels, tels qu'une grande résistance aux agents chimiques agressifs, tels que le chlore, l'anhydride sulfurique, les acides forts, les bases fortes, les silicates et oxydes de métaux, etc Leur dureté élevée leur confère, en outre, une résistance excellente à l'érosion par des gaz circulant à grande vitesse et chargés de cendres abrasives Cette dureté élevée permet de faire circuler les fluides à des vitesses importantes, au moins deux fois supérieures à celles admissibles dans des échangeurs à tubes d'acier conventionnels, ce qui assure un bon coefficient d'échange thermique 15 entre les fluides et les parois du corps et compense avantageusement la plus faible conductibilité thermique de la matière céramique par rapport au métal, si bien que les surfaces d'échange à prévoir pour une même puissance calorifique d'échange sont égales ou inférieures. 20 Il faut noter également que la possibilité de fonctionner avec des fluides circulant à grande vitesse favorise l'auto-nettoyage des canaux, ce qui évite l'emploi d'une installation coûteuse de ramonage. La haute réfractarité de la matière réfrac25 taire et l'inertie thermique importante du corps permettent l'utilisation des échangeurs de l'invention à des températures de gaz pouvant atteindre 1500 C en régime variable sans risque de fissuration sous l'action des contraintes thermomécaniques. Enfin, le coût de fabrication d'un échangeur selon l'invention est beaucoup plus réduit(jusqu'à 4 fois) que celui d'un échangeur classique, principalement à cause de sa simplicité de fabrication qui nécessite un nombre réduit d'heures de maind'oeuvre. Si désiré, l'échangeur peut être fabriqué 7 2549215 sur le site même d'utilisation Egalement, il est possible de faire varier la composition de la matière réfractaire au cours de l'opération de coulée afin que le corps présente des zones de compositions différentes adaptées au mieux aux conditions de travail auxquelles elles seront exposées en service. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, fera bien comprendre l'invention. La figure 1 est une vue schématique en pers10 pective illustrant la fabrication d'un corps d'échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan d'un corps d'échangeur de chaleur et la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un échangeur de chaleur selon l'invention destiné à être utilisé avec un incinérateur de déchets industriels. EXEMPLE 1 Cet exemple illustre la réalisation d'un corps d'échangeur monolithique à fluides séparés selon l'invention de dimensions 1 m x 1 m x 1 m. Dans un moule 1 demontable en bois de dimensions internes L = 1 mètre, L = 1 mètre et H = 1,20 m 25 (figure 1), on dispose, d'une part, un réseau de 36 tubes rectilignes 2 en PVC de 6 cm de diamètre destinés à être parcourus, par exemple, par des fumées chaudes. Ces tubes sont maintenus en place par la plaque perforée 3 située audessus du moule et la plaque perforée 4 30 formant le fond du moule D'autre part, on dispose un réseau de 49 tubes 5 coudés à 90 en PVC de 2,5 cm de diamètre destinés, par exemple à être parcourus par de l'air à réchauffer Les tubes 5 sont tenus en place par la plaque perforée 3 et par la plaque latérale 35 perforée 6 Pour des raisons de simplicité de 8 2549215 représentation, on n'a représenté sur la figure 1 que 8 tubes 2 et 4 tubes 5. La partie supérieure du moule est évasée et on y a ménagé deux passages 7 par o on coulera la matière réfractaire dans le moule. L'ensemble mouleréseaux de tubes en PVC est posé sur une table vibrante (non représentée) et on coule dans le moule par les passages 7, tout en faisant vibrer la table, la composition réfractaire du type décrit dans le brevet français 2 458 520 et vendue dans le commerce sous la marque déposée ERSOL par la Demanderesse Cette matière réfractaire comprend en poids, 91 parties de grains fondus et coulés d'un matériau réfractaire composé de 50,6 % d'A 1203, 32,5 % de 15 Zr O 2, 15,7 % de Si O 2, 1,1 % de Na 2 O, 0,1 % de Fe 2 %, et 0,1 % de Ti O 2 (produit n 1 du tableau 1 du brevet français 2 458 520 susmentionné). On arrête la coulée lorsque le niveau de matière arrive quelques centimètres au-dessus du niveau 20 désiré (I mètre dans l'exemple) et on continue à faire vibrer jusqu'à densification du produit On démoule après prise On soumet ensuite le corps à un traitement thermique comprenant une étape de séchage à une température dans la gamme de 100-150 C, une étape d'étuvage 25 servant à éliminer les tubes en PVC (en général par chauffage progressif jusqu'à 400 C environ) et enfin une étape de céramisation à haute température (en général dans la gamme de 800-1200 C environ) Finalement, on laisse refroidir à la température ambiante. On répète la même opération de moulage avec une matière réfractaire similaire si ce n'est qu'on y incorpore 1,5 partie en poids de fibres en acier inoxydable de marque déposée DRAMIX ZP, qualité 30/40 vendues par la société belge BEKAERT Ces fibres se présentent sous forme d'agrafes en U d'un diamètre de 9 2549215 0,3 mm et d'une longueur de 40 mm Elles existent en acier AISI 302 pour les applications à des températures ne dépassant pas 1000 C ou en acier AISI 314 pour les applications à des températures supérieures à 1000 C. Egalement, on utilise 4,7 parties d'eau au lieu de 4,5 parties. Après la cuisson à 1000 C environ, les corps obtenus, avec ou sans présence de fibres d'acier, sont compacts. EXEMPLE 2 Cet exemple illustre la réalisation d'un corps d'échangeur de chaleur à courants croisés. Par un procédé analogue à celui de l'exemple 1 sans fibres en acier, si ce n'est qu'on utilise 15 un moule en bois de dimensions intérieures de 1 x 1 x 0,09 mètre dans lequel on positionne deux tubesserpentins en PVC, d'un diamètre extérieur de 3 cm, on obtient le corps d'échangeur représenté sur les figures 2 et 3 Ce corps 10 de forme relativement plate, carrée, 20 comporte deux canaux 11 et 12 situés dans des plans moyens parallèles et présentant des directions croisées. Les extrémités des canaux débouchent chacune sur une face latérale différente du corps. EXEMPLE 3 Cet exemple décrit la production sur le site d'utilisation d'un échangeur de chaleur fonctionnant à haute température pour four poussant de sidérurgie, dans lequel il s'agit de réchauffer de l'air entrant à environ 27 C jusqu'à 670 C environ au moyen de fumées 30 chaudes arrivant à 800 C environ et sortant à environ 400 C. On coule sur le site une matière réfractaire telle que celle de l'exemple 1 (avec fibres d'acier) dans un coffrage de 1,3 x 1,3 x 10 m garni d'un réseau 35 de 625 tubes ( 25 x 25) d'un diamètre extérieur de 5 cm 2549215 afin d'obtenir une surface d'échange de l'ordre de 1000 m 2 Pendant la coulée, on vibre soit en injectant de l'air comprimé dans les tubes, soit en ayant recours à des vibrateurs comme cela se pratique couramment sur les chantiers de bétonnage On démoule au bout de 24 heures et on laisse vieillir le corps moulé pendant 8 jours Ensuite, on isole thermiquement le corps d'échangeur à l'aide d'une couche de béton isolant ou d'un matelas de fibres isolantes et on met en place une 10 enveloppe métallique maintenant le tout On soumet alors le corps isolé à un traitement thermique semblable à celui décrit à l'exemple 1 en se servant des fumées chaudes disponibles dans l'usine que l'on fait passer dans une partie ou la totalité des canaux du 15 corps, selon le besoin. EXEMPLE 4 Cet exemple décrit la réalisation sur le site d'utilisation d'un échangeur de chaleur, selon l'invention, pour incinérateur de déchets industriels, dans lequel il s'agit de récupérer environ 1 000 000 Kal/ heure en réchauffant de l'air entrant à 28 C environ jusqu'à environ 650 C au moyen de fumées chaudes arrivant à 950 C environ et sortant à 250 C environ. Comme le montre la figure 4, le corps 21 de 25 l'échangeur comprend 360 canaux 22 destinés à être parcourus par les fumées et 360 canaux 23 destinés à être parcourus par l'air, tous d'un diamètre de 2,5 cm. Les canaux 22 sont rectilignes et s'étendent de la base au sommet du corps, tandis que les canaux 23 sont coudés 30 à 90 , dans des sens opposés, à chacune de leurs extrémités de façon à s'étendre parallèlement aux canaux 22 sur la majeure partie de leur longueur mais à déboucher sur le pourtour du corps, en 24 et 25 comme l'illustre la figure 4 La surface d'échange est d'environ 198 m 2. 35 Le corps qui présente un diamètre de 1,1 m il 2549215 et une hauteur de 7 mètres est moulé en l'espace de quelques heures sur le site par coulée d'environ tonnes de la matière décirte à l'exemple 1 (avec fibres) dans un coffrage de forme appropriée Après décoffrage, on applique sur le corps une couche 26 de béton cellulaire isolant d'une épaisseur d'environ 100 mm, une enveloppe métallique 27 en tôle d'acier de 10 mm d'épaisseur, et enfin un matelas 28 de laine de roches d'une épaisseur de 20 mm Des brides métalli10 ques, telles que 29, sont prévues autour des zones o débouchent les canaux afin de faciliter le raccordement des arrivées et sorties de fluides On peut évidemment n'utiliser qu'une seule couche d'isolant soit sous forme de béton soit sous forme de fibres. Pour réaliser cet appareil, on a utilisé la solution qui consiste à positionner les réseaux de tubes 22 et 23 dans les mailles d'un ensemble de tamis en acier inoxydable d'ouverture approximative 25 mm (tamis de maille " 1 pouce") fixés à un cadre. La coulée du mélange réfractaire s'effectue par sections de 850 mm de hauteur à l'aide de goulottes amovibles qui facilitent l'opération Le coffrage constitué de deux coquilles hémicylindriques est mis en place section après section en le glissant à l'intérieur du 25 cadre support. Du fait de la taille de la pièce, on combine l'effet de vibrateurs extérieurs au coffrage à l'effet de vibrateurs agissant dans la masse du réfractaire. Le traitement thermique d'élimination des 30 tubes de PVC et de céramisation est effectué, comme dans l'exemple 3, à l'aide des fumées chaudes disponibles sur le site ou de brûleurs. A titre indicatif, la main-d'oeuvre nécessitée pour mettre en place sur le chantier le coffrage et 35 le positionnement des tubes est de l'ordre de 60 heures. 12 2549215 Pour des vitesses de gaz de 15 Nm/seconde, le coefficient d'échange thermique est de 45 Kal/h m 2 OC. A titre comparatif, la solution équivalente en tubes d'acier pèse 20 tonnes et consiste en un échangeur comportant 121 tubes d'un diamètre de B cm et a une surface d'échange de 214 m 2 Son coefficient d'échange est de 20 Kal/h m 2 C pour des vitesses de gaz de 2 Nm/s De plus, les pertes de charge de fluide à réchauffer sont deux fois plus importantes Un tel 10 échangeur nécessite environ 400 heures de soudure et de montage. L'invention s'applique donc de façon universelle à tous les types d'échangeurs basse et haute température et permet de résoudre à la fois les problèmes d'étanchéité entre les canaux, de réfractérité, de bon échange thermique, de résistance à l'érosion et à la corrosion par les divers fluides agressifs ou charges d'agents agressifs. 13 2549215 REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur, à fluides séparés, caractérisé en ce qu'il comporte un corps monolithique, moulé en matière réfractaire, qui comprend en son sein, venus de moulage, au moins un canal pour le fluide à réchauffer et au moins un canal pour le fluide à refroidir en relation mutuelle d'échange de chaleur. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire est à base de grains d'oxydes de métaux fondus et coulés. 3 Echangeur de chaleur selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que la matière réfractaire a la composition suivante, en % en poids: (i) 55-99 % de particules d'un matériau 15 réfractaire fondu et coulé contenant une phase vitreuse à base de zircone-silice, de zircone-silicealumine ou de zircone-silice-alumine-oxyde de chrome, ces particules ayant la distribution granulométrique suivante: -45 % de grains d'une grosseur de 2 à 5 mm, 20-40 % de grainette d'une grosseur de 0,5 à 2 mm, 15-30 % de farine d'une grosseur de 40 micromètres à 0,5 mm et 0-40 % de fines d'une grosseur inférieure à 40 micromètres; (ii) 1 à 5 % d'un ciment hydraulique; et (iii) 1-15 % d'une charge constituée de parti25 cules d'une grosseur de 0,01 à 5 micromètres, sensiblement sphériques, d'un oxyde de métal, la surface spécifique de ces particules étant supérieure à 5 m 2/g; la proportion de chacun des constituants (i), (ii) et (iii), étant donnée par rapport à leur total. 4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le constituant (ii) est un ciment superalumineux et le constituant (iii) est de la silice vitreuse. Echangeur de chaleur selon l'une des 35 revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il 14 2549215 comprend un premier réseau de canaux pour le fluide à réchauffer et un deuxième réseau de canaux pour le fluide à refroidir, les canaux de ces réseaux étant en relation mutuelle d'échange de chaleur. 6 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les canaux du premier réseau et ceux du deuxième réseau débouchent sur des faces différentes du corps. 7 Echangeur de chaleur selon l'une quelcon10 que des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des fibres renforçantes sont incorporées à la matière réfractaire. 8 Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres renforçantes 15 sont des fibres d'acier inoxydable présentes à raison de 0,5 à 3 % en poids par rapport à la matière réfractaire. 9 Un procédé de fabrication d'un échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 20 comprend les étapes suivantes: a) disposition dans un coffrage ou moule ayant la forme désirée pour le corps de l'échangeur, d'une pluralité de tubes et/ou profilés en matière plastique rigide positionnés et maintenus aux endroits 25 correspondant aux emplacements désirés des canaux du corps, les extrémités de ces tubes ou profilés saillant du coffrage ou moule à travers des ouvertures de forme correspondante prévus dans les parois dudit coffrage ou moule; b) coulée dans le coffrage ou moule de la matière réfractaire additionnée d'eau de mise en oeuvre avec application de moyens de compactage de la composition coulée; c) séchage du corps moulé, puis étuvage de 35 ce corps Jà une température suffisante pour provoquer 2 2549215 l'élimination des tubes en matière plastique noyés au sein du corps; -10 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le corps moulé est céramisé par chauf5 fage à une température élevée appropriée. 11 Un procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les tubes ou profilés sont en chlorure de polyvinyle.