Brevet FR2619205A1 — publié le 19890210

ECHANGEUR DE CHALEUR A IMPACT DE JET L'invention concerne un échangeur de chaleur à impact de jet, comprenant des nappes alternées parallèles de circulation d'un courant de gaz chaud et d'un courant de gaz froid, respectivement. Il existe déjà des échangeurs de ce type, dont les composants sont réalisés en céramique pour resister à des températures de l'ordre de 1400 1500 OC, mais qui, en raison même de l'emploi des céramiques, sont de structure et d'assemblage relativement complexes. En particulier, on connaît par le brevet français n" 2 526 930 de la demanderesse, un échangeur gaz-gaz en céramique à impact de jet, dans lequel les nappes ou passages de circulation du gaz chaud et du gaz froid sont délimités par des séries de plaques parallèles placées en oblique et montées par emboîtement de leurs bords dans des rainures de deux flasques latéraux en céramique. Le nombre relativement important de ces plaques complique l'assemblage de ltéchan- geur.En outre, l'agencement ne permet pas de réaliser facilement un échangeur comprenant un nombre de nappes alternées de circulation de gaz chaud et de circulation de gaz froid, respectivement, qui soit supérieur à deux. L'invention a notamment pour objet de pallier les inconvénients de cette technique antérieure et de proposer un échangeur de chaleur gaz-gaz du type à impact de jet, qui soit d'assemblage extrêmement simple et dont les composants en céramique puissent être standardisés et fabriqués en grande série. L'invention propose à cet effet un échangeur de chaleur à impact de jet, comprenant des nappes alternées parallèles pour la circulation d'un courant de gaz chaud et d'un courant de gaz froid, qui sont délimitées par des parois parallèles de séparation formant surface d'échange et dont une face est en contact avec le gaz chaud et l'autre face en contact avec le gaz froid, et des éléments montés dans chaque nappe pour dévier le courant de gaz qui y circule et former des jets de gaz frappant une paroi de séparation, caractérisé en ce que ces éléments sont des blocs unitaires librement juxtaposés dans chaque nappe entre deux parois de séparation, chacun de ces blocs comprenant des moyens de support et de positionnement coopérant avec les parois de séparation et permettant de capter le courant de gaz provenant d'un bloc précédent, des moyens pour former deux séries de jets de gaz orientés dans des directions opposées et frappant les parois de séparation, et des moyens assurant la continuité de l'écoulement du gaz vers le bloc suivant ainsi que le positionnement par rapport à ce bloc. Ainsi, selon l'invention, l'échangeur peut être formé très simplement par juxtaposition libre de blocs unitaires entre des parois parallèles de séparation qui délimitent les nappes de circulation de gaz chaud et les nappes de circulation de gaz froid. Ces blocs unitaires sont tous identiques les uns aux autres, et leur fabrication peut être standardisée. La juxtaposition de ces blocs dans deux directions perpendiculaires, dont l'une est parallèle au sens général de l'écoulement du gaz dans la nappe considérée, permet à volonté d'accroître la taille de l'échangeur. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque bloc unitaire a sensiblement la forme-d'un auget rectiligne à section en U, dont les parois latérales sont sensiblement parallèles aux parois de séparation, dont la face ouverte est tournée vers le bloc précédent par rapport à l'écoulement de gaz, et dont la face fermée ou paroi transversale est orientée vers le bloc suivant par rapport à l'écoulement de gaz. Les parois latérales de ce bloc comprennent des fentes ou des orifices de passage de gaz, qui forment les jets précités venant frapper les parois de séparation. Les parois latérales du bloc sont avantageusement bordées, du côté des faces ouverte et fermée du bloc, par des rebords extérieurs formant les moyens précités de support et de positionnement. Pour assurer la continuité de Fécoulement de gaz vers le bloc suivant, les rebords situés du c6té de la face fermée du bloc sont ajourés ou découpés. Les blocs sont avantageusement des tronçons de profilé en matière thermiquement réfractaire, en particulier en céramique. Ils peuvent être formés par extrusion ou par moulage à cru, puis par cuisson et usinage. Ces modes de fabrication sont particulièrement bien adaptés à une production en grande série. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un module d'un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue simplifiée de deux nappes de ce module, ilIustrant le fonctionnement de l'échangeur; - la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'un élément de l'échangeur; - la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un tronçon de profilé destiné à former un élément d'un échangeur de chaleur selon l'invention - la figure 5 représente l'élément obtenu à partir de ce tronçon de profilé. Le module de la figure 1 comprend deux nappes 10 de circulation en parallèle d'un gaz chaud, et trois nappes 12 de circulation d'un gaz froid, les nappes 10 et 12 étant parallèles et alternées de façon à ce que chaque nappe 10 de circulation du gaz chaud se trouve entre deux nappes -12 de circulation du gaz froid. Dans l'exemple de la figure 1, les circulations générales de gaz chaud et de gaz froid sont croisées. Elles pourraient être parallèles et orientées dans le même sens, ou en sens contraire à contre-courant. Chaque nappe 10, 12 est délimitée par deux plaques planes parallèles 14, en céramique, entre lesquelles sont placés des blocs unitaires de guidage de l'écoulement de gaz, qui sont juxtaposés librement dans deux directions perpendiculaires, dont l'une est parallèle au sens général de l'écoulement de gaz dans la nappe considérée, comme indiqué par les flèches en figure 1, et dont l'autre est perpendiculaire à la première dans le plan même de la nappe. L'échangeur de chaleur comprend également des collecteurs d'entrée et de sortie du gaz chaud et du gaz froid, ainsi que des plaques latérales permettant de supporter les plaques 14 délimitant les nappes. De préférence, les plaques 14 sont supportées par encastrement de leurs bords dans des rainures des plaques latérales. Celles-ci peuvent avoir une structure alvéolaire, qui facilite l'encastrement des bords des plaques 14. L'ensemble de l'échangeur est entouré d'éléments d'isolation thermique et contenu dans une structure métallique équipée de moyens de compensation des dilatations différentielles. Les blocs unitaires en céramique qui sont juxtaposés entre les plaques 14 ont sensiblement la structure représentée schématiquement dans les figures 2 et 3. Chaque bloc unitaire 16 comprend deux parois latérales 18, parallèles entre elles et reliées à une extrémité par une paroi transversale 20 pour donner au bloc 16 sensiblement la forme d'un auget à section transversale en U. Deux rebords 22 orientés vers l'extérieur sont formés sur les bords des plaques 18 qui sont parallèles et opposés aux bords reliés par la paroi transversale 20. Celle-ci comprend, de place en place, des pattes 24 orientées vers l'extérieur. Des fentes 26 ou des orifices quelconques de passage de gaz sont formés dans les parois latérales 18. Les blocs unitaires 16 sont juxtaposés en rangées et en colonnes entre les plaques 14, de telle sorte que les rebords 22 d'un bloc 16 s'appliquent sur les pattes 24 du bloc précédent, et que les pattes 24 du même bloc 16 s'appliquent sur les rebords 22 du bloc suivant par rapport au sens général de l'écoulement de gaz. Le gaz qui circule dans une nappe 10 ou 12 entre deux plaques 14 est guidé de la façon suivante: en arrivant sur un bloc 16, il est dévié par les rebords 22 entre les parois latérales 18 et sort du bloc 16 par les fentes ou orifices 26 de ces parois latérales, en formant des jets de gaz qui viennent frapper les deux parois de séparation 14.Le gaz s'écoule ensuite, entre chaque paroi latérale 18 et la paroi de séparation 14 correspondante, en direction du bloc suivant où il est à nouveau dévié par les rebords extérieurs 22 pour venir entre les parois latérales 18 de ce bloc suivant. Une paroi 14 entre deux nappes 10 et 12 est donc régulièrement frappée sur une de ses faces par des jets de gaz chaud et, sur l'autre de ses faces, par des jets de gaz froid et constitue donc une surface d'échange thermique par convection entre le gaz chaud et le gaz froid, avec un bon rendement grâce à l'impact des jets de gaz sur les deux faces de la paroi 14. En outre, les parois latérales 18 des blocs 16 forment des écrans permettant d'absorber le rayonnement thermique des parois de séparation 14 qui sont portées à une température relativement élevée. On réduit ainsi l'échauffement des parois extérieures de l'échangeur de chaleur, et donc les pertes de chaleur vers le milieu environnant. Les plaques de séparation 14 et les blocs 16 sont de préférence en carbure de silicium, mais peuvent être être réalisée3 dans d'autres matières céramiques, telles que le nitrure de silicium et le sialon, ayant une conductivité thermique suffisante (supérieure à 15 W/ .m). Comme on le voit en figure 2, les plaques de séparation 14 formant une surface d'échange sont en fait formées de plusieurs plaques raccordées entre elles par des barrettes d'assemblage 28 à section transversale en I permettant de juxtaposer bord à bord deux plaques 14 consécutives. On fera maintenant référence aux figures 4 et 5, qui représentent schématiquement un exemple de réalisation pratique des blocs unitaires 16. La figure 4 présente un tronçon de profilé 30 en céramique, qui peut être réalisé par extrusion ou filage à cru de céramique, puis par cuisson. Le profilé 30 de la figure 4 comprend un canal rectangulaire 32 associé sur ses deux petits côtés à deux canaux 34 à section trapézoldale, dont la petite base correspond au petit côté du canal rectangulaire 32. Le tronçon de profilé 30 de la figure 4 est ensuite usiné pour prendre la forme représentée en figure 5 et constituer un bloc unitaire 16. Cet usinage consiste à découper un des canaux latéraux 34 pour n'en conserver que des pattes 36 à intervalles réguliers, tandis que des découpes rectangulaires 38 et 40 sont formées dans la grande base et la petite base de l'autre canal latéral 34 et débouchent à l'intérieur du canal rectangulaire 32. Enfin, des fentes parallèles 42 sont formées dans les grandes parois du canalrectangulaire 32.On obtient ainsi un bloc unitaire dont la structure correspond à celle du bloc 16 des figures 2 et 3, les ouvertures 38 et 40 formant les passages d'entrée du gaz à l'intérieur du bloc unitaire, les fentes 42 correspondant aux fentes ou passages 26 de sortie des jets de gaz vers les plaques de séparation 14, les pattes 36 correspondant aux pattes 24 de support et de positionnement. Les blocs unitaires pourraient également être réalisés d'une autre façon, par exemple par moulage à cru, puis cuisson et usinage et/ou assemblage. Les formes de ces blocs unitaires pourraient être différentes de celles représentées dans les figures, pour autant qu'elles permettent de remplir les fonctions suivantes: - assurer l'alimentation du bloc unitaire par l'écoulement de gaz sortant du bloc unitaire précédent, - assurer la continuité de l'écoulement de gaz sortant de ce bloc en direction du bloc suivant, - assurer le support et le positionnement du bloc unitaire entre les deux parois 14 de séparation. Par exemple, un bloc pourrait être constitué par un caisson central associe à deux éléments d'extrémité. Un module d'échange de chaleur selon l'invention tel que celui représenté schématiquement en figure 1, peut avoir une capacité de récupération de chaleur de l'ordre de 30 à 60 kW, pour les dimensions suivantes: - hauteur de l'ensemble des nappes 10 et 12 : 200 mm, - dimensions dans le plan d'une nappe : 660 mm X 220 mm. REVENDICATIONS 1) Echangeur de chaleur à impact de jet, comprenant des nappes alternée3 parallèles (10, 12) pour la circulation d'un courant de gaz chaud et d'un courant de gaz froid, qui sont délimitées par des parois parallèles (14) de séparation formant surface d'échange, dont une face est en contact avec le gaz chaud et l'autre face en contact avec le gaz froid, et des éléments montés dans chaque nappe pour dévier le courant de gaz qui y circule et former des jets de gaz frappant une paroi de séparation (14), caractérisé en ce que ces éléments sont des blocs unitaires (16) librement juxtaposés dans chaque nappe entre deux parois de séparation (14), chacun de ces blocs comprenant des moyens (22) de support et de positionnement coopérant avec les deux parois de séparation (14) et permettant de capter le courant de gaz provenant d'un bloc précédent, des moyens (26) pour former deux séries de jets de gaz orientés dans des directions opposées et frappant les parois de séparation (14) et des moyens (24) assurant la continuité de l'écoulement du gaz vers le bloc suivant ainsi que le positionnement par rapport à ce bloc. 2) Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs unitaires (16) sont, dans chaque nappe (10, 12), juxtaposés dans deux directions dont l'une est parallèle au sens général de l'écoulement du gaz dans la nappe et dont l'autre est perpendiculaire à la première dans le plan de cette nappe. 3) Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque bloc unitaire (16) a sensiblement la forme d'un auget rectiligne à section en U, dont les parois latérales (18) sont sensiblement parallèles aux parois de séparation, dont la face ouverte est tournée vers le bloc précédent par rapport à l'écoulement du gaz, et dont la face fermée ou paroi transversale (20) est orientée vers le bloc suivant par rapport à l'écoulement du gaz. 4) Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parois latérales (18) du bloc (16) comprennent des fente3 ou orifices (26) de passage de gaz, formant les jets précités. 5) Echangeur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les parois latérales (18) du bloc sont bordées, du côté de3 faces ouverte et fermée du bloc, par des rebords extérieurs (22, 24) formant les moyens précités de support et de positionnement. 6) Echangeur selon la revendication 5, caractérisé que ce que les rebords (24) situés du côté de la face fermée (20) sont ajourés ou découpés pour assurer la continuité de l'écoulement de gaz vers le bloc suivant. 7) Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs unitaires (16) sont des tronçons de profilé (30) en matière thermiquement réfractaire telle qu'une céramique. 8) Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs (16) sont formés par extrusion ou par moulage à cru, puis par cuisson et usinage. 9) Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de séparation (14) sont des plaques planes parallèles réunies entre elles dans un même plan par des barrettes d'assemblage (28), et montées par encastrement de leurs bords dans des plaques latérales.