Brevet FR2574176A1 — publié le 19860606

DESCRIPTIF De nombreux processus industriels de chauffage ou de séchage émettent à la sortie des effluents gazeux chauds sur lesquels 1 est intéressant de récupérer une partie de la chaleur sensible pour la réinjecter dans le processus lui-même ou l'affecter à d'autres utilisations sans dépense nouvelle d'énergie. C'est le cas, par exemple, des fours de séchage de matières minérales ou organiques, des fours de cuisson, des fours de traitement thermique, des fours de verrerie, etc... I1 convient toutefois et notamment lorsque la chaleur récupérée n'est pas réutilisée dans le processus lui-même, que le récupérateur ne modifie pas le processus principal, en particulier lors des mises en service ou à l'arrêt du récupérateur. C'est notamment le cas des fours de cuisson, de fusion ou de traitement thermique dont les effluents, généralement à haute température, sont remis à l'atmosphère par une cheminée à tirage naturel. L'originalité du récupérateur suivant l'évolution est de répondre de manière simple et fiable à cette condition et ses avantages sont décrits en prenant, purement à titre d'exemple, son application à un four chauffé au gaz naturel, dont les effluents, à la température de. 9500C environ sont remis à l'atmosphère par une cheminée métallique garnie intérieurement d'un revêtement isolant. L'appareil est schématisé aux fig. 1, 2, 3, 4 qui représentent - fig. 1 : une vue en élévation du four avec sa cheminée et le récupérateur. - fig. 2 : une coupe du récupérateur par un plan passant par l'axe de symétrie de l'appa reil. - fig. 3 : une coupe du récupérateur par un plan perpendiculaire à l'axe de l'appareil. - fig. 4 : un schéma de principe des circuits. En se reportant à la figure (1), on voit le four rep (1) avec sa cheminée rep. (2), dont un tronçon est remplacé par le récupérateur rep. (3). Les effluents peuvent passer directement à l'atmosphère par le sommet rep. (4) de la cheminée lorsque le récupérateur n'est pas utilisé, ou par une cheminée auxiliaire rep. (5) lorsque le récupérateur est parcouru par Les effluents sous l'effet du tirage induit créé par'le ventilateur rep. (6). La constitution du récupérateur suivant l'invention est décrite en référence aux fig. (2) et (3). Le récupérateur comporte un conduit central rep.(7) de mêe section libre que celle de la cheminée rep. (2) dont il remplace un tronçon. Ce conduit est constitué par un cylindre en un ou plusieurs éléments réalisés en un matériau approprié aux conditions de température et d'ambiance auxquelles il est soumis. Autour de ce conduit, ia surface d'échange rep. (8) qui détermine le parcours du fluide caloporteur à réchauffer, est disposée dans un espace annulaire rep. (9) délimité intérieurement par le conduit central et extérieurement par un revêtement réfractaire et isolant rep. (11) notamment à la partie supérieure. L'espace annulaire rep. (9) communique avec le conduit central par une ou plusieurs ouvertures rep. (12). Dans la forme d'exécution du récupérateur selon l'invention représentée aux fig. (2) et (3), la surface d'échange est constituée par un tube en acier rep. (13) dont la surface extérieure en contact ouvre les effluents gazeux est étendue par des ailettes rep. (14). Le tube est enroulé en hélices cylindriques coaxiales au conduit central, une ou plusieurs hélices concentriques à une ou deux entrées pouvant être utilisées de manière à obtenir la section de passage requise pour le débit de fluide caloporteur, par exemple de l'eau ou une huile thermique, qui parcourt intérieurement le tube. Dans l'exemple figuré, il y a trois hélices rep.(15) (16) et (17), à deux entrées, comportant chacune six tours d'enroulement. Afin d'assurer une réparti-tion correcte du débit malgré les différences de diamètres, à mi-longueur, les hélices externes supérieures sont raccordées aux hélices internes inférieures dans la zone rep. (18), les hélices médianes supérieures aux hélices médianes inférieures et les hélices internes supérieures.aux hélices externes inférieures. Les extrémités des hélices se raccordent sur des collecteurs rep. (19) avec une entrée rep. (20) et une sortie rep. (21) communes. Les effluents parcourent le conduit central rep. (7) du bas vers le haut et peuvent continuer leur parcours, sans obstacle, par la cheminée si le récupérateur n'est pas en service. La partie inférieure de l'espace annulaire est raccordée à un dispositif d'aspiration qui peut être un ventilateur rep. (2) dimensionné pour le débit d'effluents à la température de sortie du rxcupérateur, avec une élévation manométrique correspondant à la perte de charge du récupérateur et du conduit d'évacuation rep. (5) des effluents. Un clapet rep. (23) permet d'ajuster la dépression à l'entrée du récupérateur. L' aspiration des effluents à travers l'espada annulaire peut éventuellement se raire suivant le principe du tirage induit, au moyen d'un éjecteur et d'un ventilateur qui aspire de l'air ambiant et le refoule dans la tuyère de l'éjecteur. Bien que la puissance de ventilation soit, toutes choses égales par ailleurs, un peu plus élevée que dans le cas du tirage direct, le tirage induit présente l'avantage de mettre le ventilateur à l'abri de la température des effluents et des problèmes d'échauf fement, de lubrification et autres qui pourraient en résulter. L'enveloppe extérieure rep. (10) comporte, en plus des parties d'extrémité rep. (24) deux coquilles cylindriques rep. (25) et (26) montées sur charnières rep. (27). La coquille rep. (25) est représentée en position fermée sur la fig. 3 et la coquille (26) en position ouverte. L'ouverture de ces coquilles donne un accès direct pour l'inspection et le nettoyage périodique des surfaces d'échange lorsque les effluents contiennent des poussières susceptibles de se déposer sur celles-ci. Le nettoyage peut se faire par aspiration, soufflage, lavage ou tout neutre moyen approprié, lors d'un arret du processus ou meme en marche, si la partie aval de la cheminée a été élargie pour conserver un tirage naturel suffisant melgré la dilution des effluents par la rentrée d'air qui se produit, -à l'ouverture des coquilles, par les ouve:tures rep. (12). La circulation rationnelle des fluides est réalisée dans le récupérateur, les effluents en cours de refroidissement parcourant les hélices du haut vers le bas, sensiblement à contre-courant du fluide à rechauffer. L'utilisation de tubes ailettés et notamment tubes à ailettes hélicotdales soudées de même matière que le tube ou en une autre matière et la configuration en hélices conduisent à une exécution très compacte avec le minimum de soudures. La conception du récupérateur suivant l'invention présente en outre des avantages de sécurité intrinsèque en cas d'arrêt volontaire ou accidentel du tirage, le processus principal n' est pas affecté car les effluents passent d'eux-mêmes directement à l'atmosphère par la cheminée. J'- D'autre part, les surfaces d'échange étant extérieures au conduit central, une fuite de fluide caloporteur ou le liquide de lavage des surfaces peuvent être évacués à l'égout sans risque de pénétration dans le conduit des effluents gazeux. La régulation du récupérateur est très simple et peut s'opérer de manière automatique par des procédés et équipements connus. A titre d'exemple, le schéma de la figure (4) montre les bornes d'entrée rep. (20) et de sortie rep. (21) du récupérateur proprement dit. Le fluide caloporteur circule dans le récupérateur grâce à une pompe rep. (28). Un by-pass rep. (29) avec vanne thermostatique rep. (30) permet de régler à volonté le niveau de température du fluide caloporteur, notamment lorsqu'il entre dans le circuit à basse température et que l'on veut éviter des condensations éventuelles caté sortie des effluents. Un sonde de température rep. (31) peut commander l'arrêt de l'aspiration de tirage rep. (22) en cas de dépassement de la température de sortie du fluide caloporteur. Une sonde de température rep. (32) sur les effluents à la sortie du récupérateur peut également arrêter l'aspirateur de tirage au cas où la circulation de fluide caloporteur s'arrêterait. Le fluide caloporteur peut être de l'eau à l'entrée rep. (20) et de la vapeur sature ou surchauffée à la sortie ou encore être un liquide organique pouvant être chauffé à plus de 1000C à la pression atmosphérique, ou encore être un alliage métallique à bas point de fusion sans sortir des limites de la présente invention. R E V E N D I C A T I O N S 1) Récupérateur de chaleur sur effluents gazeux caractérisé en @e que les surfaces d'échange entre les effluents et un fluide cal@port@@r sont disposés dans un espace cylindrique annulaire (9) délimité par une enveloppe extérieure (11),comportant au moins deux parties (26) pouvant s'ouvrir et un conduit c@ntral (7) parcouru par les effluente,l'espace annulaire(9) communiquant avec le conduit prr des ouvertures latérales(12) disposées à l'extrémité opposée à l'entrée des effluents,ceux-ci pouvant continuer leur parcours au-delà du conduit central(7) ou être aspirés en totalité ou en partie dans l'espace annulaire(9) au contact des surfaces d'échange(18) pouvant être rendues accessibles par l'ouverture de l'enveloppe extérieurs(26) pour inspection ou nettoyage lorsque les effluents continuent leur parcours au-delà de l'extrémité du conduit central(7). 2) Récupérateur suivant revendication (1) ci-dessus caractérisé @n ce que l'axe du conduit central(7) est vertical,les effluente gazeux par@ourant le conduit du bas vers le haut. 3) Récupérateur suivant revendication (1) et (2) ci-dessus, caractérisé en ce que les surfaces d'échange sont constituées par d@s tubes li@@@@ ou à surface extérieure étendue,@@roulés en une ou en plusieurs hélices ceaxiales (15) (16) (17) autour du cenduit central (7). 4) Récupérateur suivant une ou plusieurs des revendications (1) à (3) ci-dessus,caractérisé en ce que les effluents sont a@pirés dans l'espace cylindrique annulaire (9) par un ventilateur de tirage direct ou indirect (6). 5) Récupérateur suivant une ou pl@sieurs des revendications (1) à (4) ci-dessus,caractérisé en ce que le fluide caleporteur peut subir un changement d'état entre l'entrée et la sortie du ré@upérateur.