Brevet FR2575546A1 — publié le 19860704

- La présente invention concerne un échangeur perfectionné et une méthode pour réaliser le transfert thermique entre des particules solides contenues ou circulant dans une enceinte et le milieu extérieur La présente invention concerne également l'utilisation de l'échangeur dans la boucle de circulation des parti- cules solides d'une chaudière à lit circulant. L'échangeur selon la présente invention permet, notamment, une grande souplesse des transferts thermiques entre des particules solides et le milieu extérieur sans pour autant modifier le débit des particules solides. L'échangeur selon l'invention présente les avantages suivants: - une grande compacité liée aux excellents coefficients d'échange thermique dans les lits fluidisés. -une facilité d'ajustement de la puissance d'échange demandée qui peut être obtenue par un compartimentage important ou en utilisant des compartiments de différentes tailles. -une homogén&[té de température du lit fluidisé même lorsqu'il est alimenté avec des débits de solides très importants, gr&ce à la présence de déflecteurs. Lorsqu'il est utilisé dans une chaudière à lit circulant, l'échangeur selon la présente invention permet une plus -2- grande simplicité de l'ensemble du dispositif d'échange externe et de recirculation avec en particulier un point de réinjection unique des cendres, une grande souplesse d'utilisation liée à l'existence de 2 leviers de commande des puissances échangées comme cela sera précisé plus loin dans la présente description. Ainsi la présente invention concerne un échangeur perfec- tionné permettant le transfert d'énergie thermique entre, notamment, des particules solides et le milieu extérieur audit échangeur, cet échangeur comportant des orifices d'entrée et de sortie desdites particules. Cet échangeur se caractérise en ce qu'il comporte une enceinte princi- pale communiquant avec lesdits orifices d'entrée et de sortie, cette enceinte comportant des moyens propres d'alimentation en gaz de fluidisation et plusieurs compar- timents auxiliaires, chacun de ceux-ci comportant au moins deux orifices permettant le transfert des parti- cules solides entre l'enceinte principale et le compar- timent auxiliaire concerné et des moyens d'alimentation en gaz de fluidisation de ce compartiment, ces moyens permettant une circulation desdites particules solides dans ledit compartiment et des moyens d'extraction de ladite énergie thermique. Cet échangeur se caractérise également en ce que l'un au moins desdits compartiments comporte un dispositif de contrôle du débit de gaz de fluidisation passant dans ledit compartiment. Le dispositif de contrôle du débit de gaz de fluidisation pourra comporter un organe adapté à fonctionner en tout -3- ou rien L'échangeur selon l'invention pourra comporter une première et une deuxième enveloppes cylindriques, plusieurs parois latérales, une première et une deuxième plaques, ces deux plaques délimitant avec ladite première enveloppe un espace clos dans lequel est logée ladite deuxième enveloppe cylindrique, lesdites parois latérales, s'étendant entre lesdites enveloppes cylindriques de t0 manière à définir lesdits compartiments auxiliaires. L'espace interne délimité par la deuxième enveloppe définit ladite enceinte principale. La deuxième enveloppe pourra comporter au moins un orifice permettant l'entrée des particules solides dans l'un des compartiments;cet orifice d'entrée pourra comporter au moins un déflecteur La première plaque pourra comporter les moyens d'alimen- tation en gaz de fluidisation et la deuxième enveloppe cylindrique qui s'étendant sensiblement à partir de la première plaque pourra s'arrêter avant d'atteindre la deuxième plaque ménageant ainsi un espace libre entre le bord de cette enveloppe et la deuxième plaque. Cet espace libre servira d'orifice de sortie des particules solides. L'échangeur selon la présente invention pourra comporter une première enveloppe cylindrique contenant une deuxième enveloppe cylindrique au moins une enveloppe intermé- diaire contenue dans l'espace délimité par lesdites première et deuxième enveloppes, une première et une deuxième plaques délimitant avec ladite première enveloppe un espace clos. L'espace interne délimité par la - 4deuxième enveloppe définit ladite enceinte principale et les espaces annulaires délimités par les différentes enveloppes cylindriques définissent lesdits compartiments auxiliaires. Les moyens d'extraction de l'énergie pourront être des tubes en serpentin. Des parois latérales pourront être situées dans lesdits espaces annulaires délimitant ainsi des compartiments supplémentaires L'échangeur selon la présente invention peut être avan- tageusement utilisé dans une chaudière à lit circulant comportant un réacteur et un séparateur. La présente invention concerne également une méthode pour contrôler le transfert thermique entre des particules solides et contenues dans une enceinte et le milieu exté rieur. Cette méthode se caractérise en ce que l'enceinte est partagée en plusieurs zones et en ce que l'on contrôle séparément le débit d'air de fluidisation de l'une au moins de ces zones La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la lecture de la descrip- tion qui suit d'exemples particuliers, nullement limi- tatifs, illustrés par les figures ci-annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un mode de réali- sation de l'échangeur selon la présente invention, - la figure 1A, la coupe A-A de la figure 1, -5- - la figure 2 illustre un autre mode de réali- sation de l'échangeur selon la présente invention. - la figure 2A représernte la coupe A-A de la figure 2, - la figure 3 montre l'intégration de l'échan- geur selon la présente invention dans une chaudière à lit circulant, et j - la figure 4 un exeiple de courbes de fonc- tionnement. La figure 1 représente un mode de réalisation d'un échangeur selon la présente invention Celui-ci comporte une enceinte principale délimitée par une enveloppe cylindrique 2. Des compartiments auxiliaires 3a,3b,3c,3d,3e etc.. sont délimités par des parois latérales 4a à 4f et une enve- loppe cylindrique externe 6 (voir la figure lA qui correspond à une vue en coupe de la figure 1). Chaque compartiments comporte des moyens de transfert d'énergie thermique tels des tubes 5 échangeurs dans lesquels peut circuler un fluide caloporteur. Il est à noter que ces moyens de transfert thermique peuvent soit apporter de l'énergie thermique aux particules solides, soit, au contraire, en extraire Dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 1, les particules solides 7.pénêtrent dans l'enceinte principale 1 par l'orifice 8 aménagée dans la plaque, ou chapeau 9 qui ferme l'échangeur à sa partie supérieure, tout en livrant passage aux tubes 5. - 6 - Les particules solides ressortent par l'orifice 10 amé- nagé dans la plaque 11, ou fond, qui ferme l'échangeur à sa partie inférieure. Bien entendu on ne sortira pas du cadre de la présente invention si les orifices d'intro- duction et d'extraction des particules solides sont loca- lisés à d'autres endroits. Dans le cas représenté à la figure 1, le-fond Il de l'échangeur comporte les grilles de fluidisation 12a, 12e et 13 des compartiments auxiliaires 3a et 3e et du compartiment principal 1 respectivement. Les flèches représentées à la partie inférieure de la figure 1 symbolisent le gaz de fluidisation. L'enveloppe cylindrique 2 est complétée à sa partie infé- rieure par une tole de forme tronconique 14 qui comporte des orifices 15 permettant la pénétration des particules solides dans les différents compartiments auxiliaires. Ces orifices 15 pourront être avantageusemnent dotés de déflecteurs 16; L'enveloppe cylindrique 2 ne s'étend pas jusqu'au chapeau 9 et s'arrête avant de manière à laisser un espace libre lb permettant la circulation des particules solides 7, par débordement Dans le cas de la figure 1, les compartiments auxiliaires ont la forme de prisme droit dont la base a la forme d'un secteur de disque annulaire On ne sortira pas du cadre de la présente invention en réalisant des compartiments ayant d'autres formes 7 - Ainsi la figure 2 représente un autre mode de réalisation. L'échangeur selon ce nouveau mode de réalisation est délimité par une première enveloppe externe cylindrique 20. Il comporte une enceinte principale 21 délimitée par une deuxième enveloppe cylindrique 17. L'espace annulaire compris entre la première enveloppe cylindrique 20 et la deuxième enveloppe cylindrique 17 comporte des enveloppes cylindriques intermédiaires 19 et 18. On délimite ainsi trois compartiments auxiliaires 22a,22b et 22c (voir la figure 2A qui représente une - coupe de la figure 2). L'échangeur de la figure 2 comporte un chapeau 23 dans lequel est aménagé un orifice 24 d'entrée des particules solides et un fond 25 équipé d'un orifice de sortie 28 des particules solides et de moyens de fluidisation 26a, 26b et 26c des compartiments auxiliaires et des moyens de fluidisation 26d de l'enceinte principale. Les moyens de transfert de l'énergie thermique sont constitués de tubes échangeurs 27a,27b et 27c enroulés en serpentin dans les différents compartiments auxilaires. Bien entendu on ne sortira pas du cadre de la présente invention si les compartiments annulaires 27a,27b et 27c comportent des parois latérales créant des sous-compar- timents; dans ce cas les tubes échangeurs ne pourront pas s'enrouler entièrement autour des enveloppes cylin- driques. On ne décrira pas dans ce texte les différentes manières dont les enveloppes cylindriques peuvent être fixées dans l'échangeur, ces techniques étant connues de l'homme - 8 - de l'art. La figure 3 représenté une chaudière à lit-circulant L'échangeur selon l'invention est utilisé en tant qu'échangeur externe 29 Il s'insère entre le cyclone 30 et le dispositif de ré- injection descendres dans le réacteur 31. Il permet de fluidiser les particules captées par le cyclone 30 et -10 d'en extraire une partie de leur chaleur sensible aux moyens de tubes vaporisateurs immergés dans le lit. Les coefficients d'échange de chaleur dans ce milieu sont très importants, en particulier si on les compare à ceux obtenus avec des dispositifs à lits mobiles ou à pluie de particules. Les puissances échangées par unité de surface de tubes sont 3 à 6 fois plus importantes que celles obtenues avec l'es échangeurs non fluidisés. L'échangeur présente l'avantage de pouvoir être alimenté en continu avec les cendres captées, et de supporter des débits de recirculations très importants. Les tubes vaporisateurs sont placés dans des compartiments auxiliaires séparés les uns des autres et en communi- cation avec une enceinte principale. Celle-ci alimente -les compartiments auxiliaires en solides chauds. L'échange de solides entre l'enceinte principale et les compartiments auxiliaires est facilité par la présence de déflecteurs 16 qui induisent des courants de circu- lation intenses et par l'utilisation de distributeurs d'air de fluidisation différenciés qui permettent de créer une aération plus importante au sein des compar- timents auxilaires. Cette configuration permet de main- tenir constante la température sur l'ensemble de l'échangeur même lorsque celui-ci est traversé par des débits de solides très importants. -9g La puissance de l'installation peut être modulée en jouant sur la température ou sur la surface d'échange en contact avec le m.ilieu fluidisé. A température de particules solides et à surface d'échange constantes, la température du lit-fluidisé augmente avec le débit de solides. Donc le contrôle du débit de solides qui traversent l'échangeur est un moyen de contrôle de- la puissance thermique. Dans la majorité des cas, on peut espérer atteindre une souplesse de l'ordre de 2. La puissance peut également être réduite en défluidisant certains des compartiments auxiliaires: les tubes échan- geurs sont alors plongés dans un lit fixe pour lequel les coefficients d'échange sont 10 à 20 fois moins importants que ceux des compartiments. Cette technique correspond donc à un neutralisation d'une partie de la surface d'échange. La défluidisation d'un compartiment est réalisée en coupant l'air d'alimentation du distributeur. Chaque caisson de fluidisation peut être équipé d'une vanne fonctionnant en tout ou rien. Le nombre de comparti- ments est déterminé en fonction de la souplesse demandée à l'échangeur. Par le biais de la défluidisation, on peut espérer atteindre une souplesse de 1 à 10 et en conjuguant la défluidisation et le contrôle de la température des solides, la souplesse globable de l'échangeur est de 1 à 20 si l'alimentation des compartiments auxiliaires en air de fluidisation est du type tout ou rien. Les variations de puissance de l'échangeur seront donc d'autant plus souples que le nombre de ces compartiments est grand. - 10 - Sur la figure 3, la totalité des solides en circulation dans la boucle traverse l'échangeur 29, et le dispositif de réinjection, qui peut être de type vanne en L 32, est unique. Cette configuration, comme toute autre configu- ration faisant appel à un échangeur externe, suppose que le débit de solides qui échappent aux cyclones reste toujours inférieur au débit élémentaire de matières non combustibles. Cette situation n'étant pas nécessairement acquise dans tous les cas de figure, il est souhaitable de prévoir un dispositif de réinjection des solides cap- tés par la chaudière sur fumées, voire par les filtres. En marche normale, c'est-à-dire sans appauvrissement en solides de la boucle de circulation, deux dispositifs de soutirage permettent de contrôler l'inventaire global ainsi que la granulométrie de la charge. Le point de soutirage 33, situé à la base du réacteur, permet d'ex- traire les grosses particules, et celui 34 situé sous l'échangeur externe 19 permet de retirer les fines par- ticules. L'opérateur d'installations semblables à celle de la figure 3 dispose de deux paramètres pour faire varier la puissance échangée: - le débit de recyclage, - la fluidisation ou la défluidisation des comparti- ments de l'échangeur externe 29. Ceci permet de mieux optimiser le fonctionnement de la chaudière pour toutes ses allures de marche. En première approximation et pour un réacteur fonction- nant à une température de 850 C, les puissances échan- - 1l - gées ont pour expression: Echangeur interne E1 se trouvant dans le réacteur, P1 = hl.S1 (850 - Tt) Echangeur externe E2 P2 = h2'S2 (Tr - Tt) o Tt: température de peau de tube en degrés Celsius Tr: température de recyclage en degrés Celsius r hi: coefficient d'échange thermique de l'échangeur i Si: surface d'échange de l'échangeur i Toute action sur le débit de recyclage permet de modi- fier le coefficient d'échange hi, mais également Tr comme le montre un bilan thermique réalisé sur l'échan- geur externe QECps.(850 - TO) = h2.S2.(Tr - Tt) + QS. Cps.(Tr -TO) avec: QE: débit massique de solides entrant Cps: chaleur spécifique des solides QS: débit massique de solides sortant To: température de référence En régime stable, les débits entrant et sortant sont égaux (QE =QS) Donc: Qs. Cps.(850 - Tr) = h2.S2.(Tr t Qsp.850 + T T h2.S2 t r Qs.Cps S + I h2.S2 - 12 - La puissance échangée par l'échangeur externe est donc P2 = h2S2. (850 - T 1) (i QS.Cps +1 h2.S2 Elle augmente avec le débit de solides QS pour atteindre la valeur limite P2o = h2'S2 (850 - Tt Un exemple d'application est donné ci-aprs: La répartition des puissances souhaitée étant la sui- vante: Echangeur interne: 3,53 MW Echangeur externe: 3,72 MW Chaudière sur fumées: 7,21 MW. L'élément essentiel du dimensionnement des surfaces d'échange est la détermination des taux de recirculation en marche nominale et en marche réduite. Bases de calcul: - Marche nominale: Taux de recirculation: 50 Débit en circulation: 215 t/h Coefficient d'échange dans le réacteur: 135 W/m2.K Marche réduite 1 (pas de défluidisation de l'échangeur externe): Taux de recirculation: 10 Débit en circulation: 2i,5 t/h Coefficient d'échange dans le réacteur: 70 W/m2 K - 13 - - Marche réduite 2 (défluidisation complète de l'échan- geur externe); Taux de recirculation: 5,4 Débit en circulation: 5,0 t/h Coefficient d'échange dans le réacteur: 60 W/m2.K Le coefficient d'échange dans l'échangeur externe est supposé constant et égal à 300 W/m2 K. A partir de ces éléments, on peut dimensionner E et E2. Echangeur E1: S1 = 43,5 m2 avec un AT de 600 C Echangeur E2: T2 = 785 C S2 23 m2 avec un AT de 535 C En marche réduite 1, les puissances échangées sont: Echangeur E1: P1 = 1,83 MW Echangeur E2: T2 = 522 C P = 1,88 MW Souplesse atteinte: 2 En marche réduite 2. les puissances échangées sont: Echangeur E1: P1 = 1,57 MW Echangeur E2: P2 = 0 u Souplesse atteinte: 4,6 - 14 - Enfin, la figure 4, qui est un autre exemple d'applica- tion, montre les possibilités de réglage dues à l'inté- gration d'un échangeur externe selon la présente inven- tion dans une boucle de chaudière à lit circulant. En abscisses est représenté le taux de recirculation, égal au débit de circulation des solides divisé par le débit de combustible entrant dans la chaudière, et en ordon- nées la puissance totale prélevée dans une telle boucle sur solides divisée par la puissance nominale prélevée sur solides. L'échangeur externe comporte 10 compartiments de tailles égales. Les courbes 35 à 43 correspondent à la mise en fonction- nement de 1, puis 2, puis 3 compartiments jusqu'à la totalité de ces compartiments. On ne sortira pas du cadre de la présente invention si les différents compartiments ont des formes et une dis- position différentes de celles indiquées dans la pré- sente description, notamment si les compartiments sont alignés., 2575546. - 15 - REVENDICATIONS 1.- Echangeur perfectionné permettant le trans- fert d'énergie thermique entre, notamment, des particules solides et le milieu extérieurau dit échangeur, compor- tant des orifices d'entrée et de sortie desdites parti- cules, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte principale (1) communiquant avec lesdits orifices d'en- trée (8) et de sortie (10), ladite enceinte comportant des moyens propres d'alimentation en gaz de fluidisation (13) et plusieurs compartiments auxiliaires (3a-3e), chacun de ceux-ci comportant au moins deux orifices (15) permettant le transfert des particules solides (7) entre ladite enceinte (1) et ledit compartiment (3a), et des moyens d'alimentation en gaz (12a), de fluidisation du dit compartiment, ces moyens permettant une circulation desdites particules solides dans ledit compartiment et des moyens d'extraction (5) de ladite énergie thermique et en ce que au moins l'un desdits compartiments com- porte un dispositif de contrôle du débit de gaz de flui- disation passant dans ledit compartiment. 2.- Echangeur selon la revendication 1 caracté- risé en ce que ledit dispositif de contrôle du débit de gaz de fluidisation comporte un organe adapté à fonc- tionner en tout ou rien. 3.-Echangeur selon la revendication 1 caracté- risé en ce qu'il comporte une première et une deuxième enveloppes cylindriques (6), plusieurs parois latérales (4a-4g), une première et une deuxième plaques (1199), ces deux plaques délimitant avec ladite première enve- loppe un espace clos dans lequel est logée ladite deuxième enveloppe cylindrique (2), lesdites parois latérales - 16 - s'étendant entre lesdites enveloppes cylindriques de manière à définir lesdits compartiments auxiliaires (3a-3e), l'espace interne (1) délimité par la deuxième enveloppe définissant ladite enceinte principale. 4.- Echangeur selon la revendication 3 caracté- risé en ce que ladite deuxième enveloppe (2) comporte au moins un orifice (15) permettant l'entrée des parti- cules solides dans l'un des compartiments et en ce que cet orifice d'entrée comporte au moins un déflecteur (16). 5.- Echangeur selon la revendication 3 caracté- risé en ce que ladite première plaque (11) comporte les dits moyens d'alimentation en gaz de fluidisation (12a) et en ce que ladite deuxième enveloppe cylindrique (2) qui s'étend sensiblement à partir de la première plaque (11) s'arrête avant d'atteindre la deuxième plaque (9), ménageant ainsi un espace libre (lb) entre le bord de cette enveloppe et la deuxième plaque (9), cet espace libre servant d'orifice de sortie des particules solides. 6.- Echangeur selon la revendication l,caracté- risé en ce qu'il comporte une première enveloppe cylin- drique (20) contenant une deuxième enveloppe (17) cylin- drique, au moins une enveloppe intermédiaire (18 ou 19) contenue dans l'espace délimité par lesdites première et deuxième enveloppes, une première (25) et une deuxième plaques (23) délimitant avec ladite première enveloppe un espace clos, l'espace interne (21) délimité par la deuxième enveloppe définissant ladite enceinte princi- pale et les espaces annulaires (22a, 22b ou 22c) déli- mités par les différentes enveloppes cylindriques défi- - 17 - nissent lesdits compartiments auxiliaires. 7.- Echangeur selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les moyens d'extraction de l'énergie sont des tubes (27a27c) en serpentin. 8.- Echangeur selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comporte des parois latérales situées dans lesdits espaces annulaires (22a-22c) délimitant lesdits compartiments. 9.- Chaudière à lit circulant comportant un réac- teur (31), un séparateur (30), caractérisée en ce qu'elle utilise un échangeur (29) conforme à la revendication 1. 10.- Méthode pour contrôler le transfert ther- mique entre des particules solides contenues dans une enceinte et le milieu extérieur, caractérisée en ce que cette enceinte est partagée en plusieurs zones et en ce que l'on contrôle séparément le débit d'air de fluidi- sation de l'une au moins de ces zônes.