Brevet FR2551192A1 — publié le 19850301

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de récupération de calories à l'aide d'un caloduc qui permettent d'obtenir un rendement thermique amélioré ainsi qu'un décolmatage automatique du caloduc. Les caloducs sont bien connus et largement utilisés à l'heure actuelle dans les dispositifs d'échange de chaleur. Ils peuvent par exemple avoir la forme d'un tube creux dont l'axe est incliné par rapport à l'horizontale et dont les parois sont équipées d'un réseau capillaire à l'intérieur duquel circule un fluide caloporteur. Celui-ci se vaporise dans la partie basse du tube au contact d'un fluide primaire chaud et se condense dans la partie haute au contact d'un fluide secondaire froid, les gouttelettes redescendant par gravité. Dans d'autres systèmes, le caloduc a la forme d'un disque tournant autour d'un axe de sorte qu'une partie du disque passe dans un milieu chaud et l'autre dans un milieu froid. Si ces différents systèmes donnent satisfaction, ils présentent cependant l'inconvénient de ne pouvoir être utilisés lorsque l'un des fluides primaire ou secondaire est pollué et contient en suspension des poussières ou autres particules solides : en effet ces particules risquent de se déposer sur la paroi extérieure du caloduc et de constituer une couche susceptible d'empêcher ou de perturber gravement les échanges thermiques. La présente invention a justement pour objet d'éliminer ces inconvénients grâce à un procédé et un dispositif qui permettent un décolmatage automatique du caloduc. Selon la principale caractéristique du pro cédé objet de l'invention, celui-ci, du genre de ceux dans lesquels on utilise au moins un caloduc contenant un fluide caloporteur et permettant des échanges de chaleur entre un fluide primaire chaud et un fluide secondaire froid, se caractérise en ce qu'on soumet le caloduc à un mouvement de rotation autour d'un axe, la disposition du caloduc étant telle que celui-ci comporte une zone périphérique éloignée de l'axe et une zone centrale proche de l'axe, de sorte que le fluide caloporteur se vaporise au contact du fluide primaire dans la zone périphérique et se condense au contact du fluide secondaire dans la zone centrale, les gouttelettes ainsi obtenues retournant dans la zone périphérique sous l'effet de la force centrifuge. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Selon la principale caractéristique du dispositif objet de l'invention, celui-ci comprend : - un arbre mobile en rotation, - au moins un caloduc monté sur cet arbre et constitué de manière à permettre le passage du fluide primaire et du fluide secondaire, - une enveloppe sensiblement cylindrique entourant l'arbre et le caloduc, et - des moyens de séparation montés sur ledit caloduc de manière à définir une première gaine pour l'écoule ment du fluide primaire et une deuxième gaine pour l'écoulement du fluide secondaire, les deux gaines étant séparées l'une de l'autre de manière étanche I1 peut y avoir un ou plusieurs caloducs montés sur l'arbre, ceux-ci pouvant prendre différentes formes : disques creux dont l'axe est confondu aXec celui de l'arbre, ensembles de tubes dont une extrémité est fixée sur l'arbre, ou profilés équipés d'aubages... Dans le cas où les caloducs ont la forme de disques creux, chaque disque comporte, dans sa zone périphérique, au moins une série de passages pour le fluide primaire et, dans sa partie centrale, au moins une série de passages pour le fluide secondaire. Les passages ménagés dans les disques pour l'écoulement des fluides primaire et secondaire ont une forme ou une orientation angulaire longitudinale ou radiale telle que la rotation du disque peut entraîner l'écoulement des fluides primaire et secondaire en sens inverse l'un de l'autre lorsque l'arbre est mis en mouvement par un moteur ; cependant, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un dispositif sans moteur, l'écoulement des fluides (entraînés par des moyens appropriés extérieurs au dispositif) provoquant la rotation des disques. Toujours dans le cas où les caloducs ont la forme de disques plans, ceux-ci peuvent être équipés extérieurement, sur leurs faces planes, de jupes ayant une forme orthocylindrique et pouvant être liée de manière étanche à une jupe correspondante d'un disque adjacent, constituant ainsi lesdits moyens de séparation entre la première gaine pour le passage du fluide primaire et la deuxième gaine pour le passage du fluide secondaire. Les fluides primaire et/ou secondaire peuvent être des gaz et/ou des liquides et l'invention s'applique notamment à la séparation de particules so- lides contenues dans l'un et/ou l'autre des deux fluides et, d'une manière générale, à l'échange de chaleur entre deux fluides. Enfin, il est utile de prévoir un bac de réception des matières solides en suspension dans l'un ou l'autre des fluides primaire ou secondaire. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective et partiellement en coupe de l'ensemble d'un dispositif conforme à l'invention lorsque les caloducs ont la forme de disques creux, - la figure 2 est une vue schématique en perspective, à échelle agrandie, montrant les passages ménagés dans les disques pour les fluides primaire et secondaire, - les figures 3a et 3b sont des vues en coupe dans des plans tangentiels suivant les flèches 1 et 2 de la figure 2 respectivement, et - la figure 4 est une vue semblable à la figure 2 illustrant une autre forme des passages pour le fluide primaire et le fluide secondaire. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le dispositif de l'invention se compose d'une série de disques 2 montés sur un arbre vertical 4 entraîné en rotation par un moteur 6. I1 y a cinq disques dans le mode de réalisation illustré sur la figure, mais ce nombre peut être quelconque. Une enveloppe cylindrique 8 entoure l'ensemble des disques et se raccorde, à sa partie supérieure, à une gaine 10 d'arrivée du fluide primaire chaud par l'intermédiaire d'une partie tronconique 12. Une conduite 14 pour l' evacuation du fluide primaire refroidi se raccorde à la base de l'enveloppe 8. Chaque disque tel que 2 se compose d'une face plane circulaire supérieure 16 et d'une face plane circulaire inférieure 18 reliées par une paroi latérale 20 : cette dernière peut être obtenue par déformation des faces 16 et 18 sur leurs bords et soudage de ces bords l'un à l'autre, ce qui donne naissance aux cordons de soudure portant la référence 22 sur la figure. De plus chaque disque porte, sur sa face supérieure et sur sa face inférieure, deux jupes 24 et 26, respectivement de forme orthocylindrique : on entend par worthocylindret la figure engendrée par un rectangle qui tourne autour d'un axe contenu dans son plan. Les jupes 24 et 26 ont des sections rectangulaires identiques et se trouvent à la même distance de l'axe de l'arbre 4. La jupe supérieure 24 d'un disque 2 est liée de manière étanche à la jupe inférieure 26 du disque situé immédiatement au-dessus (par exemple par soudage ou par vissage), définissant ainsi à l'intérieur de l'enveloppe 8 deux gaines pour le passage des fluides primaire et secondaire, à savoir une gaine extérieure 28 pour le fluide primaire et une gaine intérieure 30 pour le fluide secondaire. Ce dernier arrive par une conduite 32 située à la base du dispositif et en ressort par une conduite 34 située au sommet de celui-ci. Les disques supérieur et inférieur de l'empilement sont munis de joints tournants 36 qui assurent l'étanchéité avec les parties tronconiques de raccordement sur les conduites 32 et 34. Les disques 2 comportent en outre une série de passages 38 dans leur partie périphérique et une série de passages 40 dans leur partie centrale : l'expression "partie périphérique" ou "zone périphérique" désigne la partie du disque située dans la gaine 28 de passage du fluide primaire, c'est-à-dire la partie la plus éloignée de l'axe de rotation de l'ensemble, tandis que la zone ou partie centrale est la partie du disque située dans la gaine 30 de passage du fluide secondaire, c'est-à-dire la partie la plus proche de l'axe de rotation. La forme des passages 38 et 40 apparaît mieux sur les figures 2 à 4. La figure 2 montre que ces passages sont inclinés par rapport à la verticale, les passages 38 étant tous inclinés dans le même sens et les passages 40 inclinés en sens inverse des passages 38, comme celà est illustré aux figures 3a et 3b. Ceci a pour effet qu'une rotation du disque 2 dans le sens de la flèche F entraîne la circulation du fluide secondaire dans le sens de la flèche Fl, ctest-à-dire de bas en haut, et la circulation du fluide primaire dans le sens de la flèche F2, c'est-à-dire de haut en bas. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en prévoyant d'autres formes pour les passages 38 et 40, par exemple passages verticaux (c'est-à-dire non inclinés par rapport à l'axe de rotation des caloducs) ou de forme tronconique, les fluides pénétrant dans ces passages soit du côté de la plus grande section, soit du côté de plus petite section. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation dans lequel les passages 38 et 40 n'ont plus une section rectangulaire comme sur la figure 2 mais une section circulaire : ils sont cependant tous inclinés, l'inclinaison des passages 40 étant en sens inverse de celle des passages 38. Le fonctionnement du dispositif décrit ici est le suivant : La rotation du moteur 6 entraine celle de l'arbre 4 et des disques 2. La disposition des passages 38 et 40 est telle que la rotation des disques entrain l'écoulement du fluide primaire de haut en bas dans la gaine 28 et celle du fluide secondaire de bas en haut dans la gaine 30. Cependant, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en imaginant un dispositif dépourvu de moteur d'entraînement, la rotation des disques étant obtenue par l'écoulement forcé des fluides à travers les passages 38 et/ou 40. Comme le fluide primaire, par-exemple un gaz pollué, est chaud, en s'écoulant à travers le passages 38 il cède des calories au fluide caloporteur se trouvant à l'intérieur de chaque disque 2 dans la partie périphérique de ce dernier. Le fluide caloporteur se vaporise et la vapeur se répartit dans la totalité de l'espace interne du disque 2 : elle peut donc venir dans la partie centrale du disque, notamment au voisinage des passages 40 où elle se condense au contact du fluide secondaire froid. Les gouttelettes ainsi produites retournent dans la zone périphérique du disque sous l'effet de la force centrifuge et le cycle recommence. Une application particulièrement intéressante de l'invention est le dépoussiérage associé à la récupération des calories d'un gaz pollué chaud avec décolmatage automatique des caloducs. En effet, si le fluide primaire est un gaz contenant en suspension des poussières ou autres particules solides, ces dernières risquent de se déposer sur les caloducs, notamment à la surface supérieure des disques. Or, comme ceux-ci sont entraînés en rotation, la force centrifuge éjecte les particules solides et il n'y a pas de dépôt. De même, on a pu constater que les particules solides ne se déposaient pas non plus dans les passages 38 si la vitesse d'écoulement des fluides était correctement réglée.L'homme de l'art choisira donc les paramètres de fonctionnement du dispositif, et en particulier la vitesse de rotation des disques, d'après la nature des fluides primaire et secondaire et d'après la nature et les dimensions des particules solides contenues dans le fluide primaire pour éviter ce dépôt. Bien entendu, l'invention s'applique également au cas où le fluide secondaire est pollué et le fluide primaire propre et au cas où les deux fluides contiennent des particules solides. Ainsi le dispositif peut fonctionner en permanence dans un gaz pollué tout en gardant la même efficacité et le même rendement pour les échanges thermiques puisqu'il est nettoyé automatiquement. On peut prévoir un bac de réception 42 (représenté en traits mixtes sur la figure 1) à la base du dispositif si l'on désire récupérer les matériaux contenus dans le fluide primaire. Le dispositif peut fonctionner depuis des températures très basses (inférieures à 0 C) jusqu'à des températures très élevées (supérieures à 10000C), le matériau constitutif des disques et le fluide caloporteur étant fonction de la gamme de températures envisagée. Par exemple, si le fluide primaire est à 3500C, on utilisera des disques en acier inoxydable et du xylène comme fluide caloporteur. Si l'on travaille à 7000C, les disques peuvent être en Inconel, le fluide caloporteur étant du sodium. Enfin, à des températures de l'ordre de 1000 à 12000C, le fluide caloporteur est du lithium tandis que le disque est réalisé- en un superalliage comme, par exemple, l'Hasteloy N. Ainsi, le procédé et le dispositif objets de l'invention présentent des avantages particulièrement intéressants dont le principal est de permettre un décolmatage automatique des caloducs si le fluide primaire et/ou secondaire est pollué : on peut donc réaliser des échanges de chaleur entre un gaz chaud pollué et un gaz froid parfaitement propre avec le même rendement thermique pendant toute la durée de l'opération. D'autre part, on obtient un rendement thermique élevé puisqu'il est connu que les systèmes mobiles ont un rendement bien supérieur à celui des systèmes fixes. Ceci permet d'utiliser l'invention pour refroidir des turbines travaillant dans des gaz très chauds (c'est-à-dire dont la température est- supérieure à 10000C) et éviter les problèmes métallurgiques qui se posent dans un tel environnement. Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul exemple qui vient d'être décrit mais qu'on peut envisager des variantes sans sor- tir pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, on peut faire varier le nombre de disques, modifier le nombre, la forme et l'orientation des passages pour les fluides primaire et secondaire ou prévoir plusieurs séries de passages dans la zone périphérique des disques et plusieurs séries de passages dans la zone centrale. De plus, l'arbre supportant les caloducs n'est pas nécessairement vertical : il peut etre oblique ou même horizontal si la vitesse de rotation est suffisante pour que la force centrifuge compense l'action de la pesanteur. D'autre part, si dans l'exemple décrit ici les caloducs ont la forme de disques creux, le principe de fonctionnement reste le même si on remplace chaque disque par une série de tubes contenant un fluide caloporteur et dont une extrémité est fixée sur l'arbre tournant 4. Dans ce cas, les fluides s'écoulent dans les espaces entre les tubes mais il faut également prévoir une cloison pour séparer de manière étanche le fluide primaire et le fluide secondaire. Enfin, une dernière possibilité est de donner aux caloducs la forme de profilés contenant un fluide caloporteur (tubes aplatis par exemple) et munis d'aubages pour provoquer la circulation des gaz. REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération de calories à l'aide d'au moins un caloduc (2) contenant un fluide caloporteur et permettant des échanges de chaleur entre un fluide primaire chaud et un fluide secondaire froid, caractérisé en ce qu'on soumet le caloduc (2) à un mouvement de rotation autour d'un axe, la disposition du caloduc étant telle que celui-ci comporte une zone périphérique éloignée de l'axe et une zone centrale proche de l'axe, de sorte que le fluide caloporteur se vaporise au contact du fluide primaire dans la zone périphérique et se condense au contact du fluide secondaire dans la zone centrale, les gouttelettes ainsi obtenues retournant dans la zone périphérique sous l'effet de la force centrifuge. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : - un arbre (4) mobile en rotation, - au moins un caloduc (2) monté sur cet arbre (4) et constitué de manière à permettre le passage du flui de primaire et du fluide secondaire à travers celui ci, - une enveloppe (8) sensiblement cylindrique entou rant l'arbre (4) et le caloduc (2), et - des moyens de séparation (24,26) montés sur ledit caloduc (2) de manière à définir une première gaine (28) pour l'écoulement du fluide primaire et une deuxième gaine (30) pour l'écoulement du fluide se condaire, les deux gaines (28, 30) étant séparées l'une de l'autre de manière étanche. 3. Dispositif selon la revendication 2, Ca- ractérisé en ce que le caloduc (2) a la forme d'un disque creux dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation de l'arbre (4). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le disque creux (2) comporte, dans sa zone périphérique, au moins une série de passages (38) pour le fluide primaire et, dans sa partie cen- trale, au moins une série de passages (40) pour le fluide secondaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moteur (6) pour entrainer l'arbre (4) en rotation et en ce que les passages (38, 40) ont une forme telle que la rota tion du disque entraîne l'écoulement du fluide primaire et du fluide secondaire en sens inverse l'un de l'autre. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits passages (38, 40) ont une forme ou une orientation angulaire longitudinale ou radiale telle que l'écoulement d'au moins un des fluides dans leurs gaines respectives entraîne la rotation des disques (2) en l'absence de moteur actionnant l'arbre (4). 7. Dispositif selon l'une quelconque des re vendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs disques creux (2) montés sur l'arbre (4) et en ce que chaque disque (2) comporte sur ses deux faces planes une jupe (24) de forme orthocylindrique pouvant être liée de manière étanche à une jupe cor- respondante (26) d'un disque adjacent ~constituant ainsi lesdits moyens de séparation entre la première gaine (28) pour le passage du fluide primaire et la deuxième gaine (30) pour le passage du fluide secon dampe. 8. Dispositif selon la revendication 2, -ca- ractérisé en ce que le caloduc a la forme d'un tube creux dont une extrémité est fixée sur l'arbre tournant (4). 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le caloduc a la forme d'un profilé muni d'aubages. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un bac de réception (42) des matières solides entraînées par le fluide primaire. 11. Application du procédé selon la revendication 1 et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 à l'échange de chaleur entre deux fluides. 12. Application du procédé selon la revendi caution l et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 à la séparation de particules solides contenues dans au moins un des deux fluides.