Brevet FR2611257A1 — publié le 19880826

-1 Briques de structure, inclinées et grilles fabriquées à partir de celles-ci pour récupérateurs de chaleur adap- tés aux fours industriels notamment en sidérurgie ". L'invention concerne une brique de structure en matériau réfractaire pour grilles de récupé- rateur de chaleur avec une section cruciforme ou annulai- re ainsi qu'une surface de base et une surface de toit ou chaque récupérateur est relié pour la récupération de chaleur par un canal de liaison pour un courant d'agent à un four 'industriel, et un empilement qui a été fabriqué par utilisation des briques de structure de l'invention. Par fours industriels, il faut entendre les installations usuelles en sidérurgie, par exemple les fours Martin- Siemens ou les foursde fusion du verre chauffés à la flamme. Pour obtenir une masse capable d'ac- cumuler de la chaleur à haut volume spécifique ainsi que pour obtenir un échange de chaleur important entre les briques de structure du récupérateur et les milieux tra- versant ces récupérateurs, on connaît un certain nombre de briques de structure et analogues pour des installa- tions de récupération de chaleur de récupération, dans des procédés à hautes températures. En outre, des condi- tions additionnelles importantes telles que stabilité, résistance à la rupture et d'autres critères mécaniques et fluidiques doivent être maintenus. On connaît une brique de structure de forme rectangulaire qui est utilisée pour des empi- lements de récupérateurs dans différentes techniques de structure, telles que des ensembles à cheminées fermées, à treillis en panier ou de grillage. Son inconvénient consiste en ce qu'il est très rude pour les matériaux. Dans ces derniers temps, on a réalisé pour cette raison des briques de structure de plus en plus différentes dans la pratique, qui pour une dépense en matière plus faible réalisent des surfaces de chauffe spécifiquement plus importantes et malgré leur épaisseur de paroi re- duite, présentent une stabilité élevée, comme on décrit, par exemple une brique cruciforme droite, dans la publication GLASTECHNISCHE BERICHTE 51, 1978, pages 203 à 211. Dans la publication SPRECHSAAL 119, 1986, livraison 2, page 142 et suivantes, on a décrit une brique en losange qui représente une brique cruci- forme dont les ailes vont en diminuant vers l'extérieur. On connait en outre d'après le bre- vet DE-AS-29 34 208 une brique de structure creuse ou en forme de pot qui permet grâce à une structure tubulaire courte qui entoure le puits d'écoulement, de la même ma- nière un ruchage stable économisant les matériaux par un parcours droit de l'écoulement. La brique de structure creuse a été modifiée à plusieurs reprises. Ainsi pour l'amélioration de la transmission de chaleur par con- vection et pour permettre des écoulements transversaux, on a placé des points de rupture latéraux. On connait également des briques de structure creuses avec des sur- faces comportant des rainures. Des briques de structure et des bri- ques de structure creuses ont cependant sur la base d'une structure de cheminée lisse un comportement de transmission de chaleur par convection relativement non satisfaisant. En effet, la résistance à la transmission de chaleur par convection représente de 60 à 70 % de la fraction principale par rapport à la résistance à la transmission de chaleur totale pour de tels transmetteurs de chaleur et n'est pas influencée de façon décisive par les modifications mentionnées ci-dessus (conicité des ailes, points de rupture, rainures), la conicité des ai- les de la brique en lisange qui doit être recherchée pour les arêtes d'ébauches et les effets de turbulence, est inefficace en raison du temps d'introduction plus long par surcroit, du fait des ajouts, des agglomérats et des dépôts. Le but de l'invention est de créer des briques de structure pour les empilements dans des récupérateurs, de sorte que la transmission de chaleur par convection soit améliorée et que l'on puisse réali- ser des économies en matériaux et en énergie. En outre, on doit créer des nouvelles structures de construction moins encombrantes de récupérateurs et d'empilements. L'invention se propose à cet effet de créer une brique de structure pour empilements de récupérateurs qui garantisse que sur des types de structu- re, des puits d'écoulement puissent se former, rendant possible à maintes reprises une inversion gaz de fumée ou courant d'air avec une forte turbulence, un écoule- ment adjacent et un échange thermique élevé. Par utili- sation des briques de structure, on doit obtenir un gui- dage voulu du milieu en écoulement de la même manière qu'une exploitation et une sollicitation homogène de tous les puits d'un récupérateur. Ce problème est résolu selon l'in- vention par une bride de structure caractérisée en ce que la surface de toit est décalée dans au moins une direction latérale avantageusement parallèlement à la surface de base de façon à ce que la brique de structure soit formée de façon inclinée et que le décalage de la surface de ce toit par rapport à la surface de base se présente de façon à ce que la projection du centre de gravité de la brique de structure se situe sur la surface de base, et n'est pas liée fondamentalement à une forme de section déterminée. On a conçu en outre une brique de structure qui peut être utilisée pour des puits d'empile- ments qui dans l'empilement inversent le courant du mi- lieu dans une direction voulue ou assurent un changement de direction stable, de sorte que le courant du milieu soit bien mis en turbulence. La mise en turbulence du milieu en écoulement entraIne un échange calorifique élevé entre l'empilement et le courant du milieu. On ob- tient une forme avantageuse de la brique de structure qui avant toutes choses autorise une obturation lisse ou plane des puits d'empilements ou sert lors du retour en U des canaux au remplissage des pores dans l'empile- ment, si la surface de toit et la surface de base sont inclinées l'une par rapport à l'autre d'une manière ap- propriée, l'angle d'inclinaison pouvant atteindre 90. Par utilisation des briques de structure selon l'inven- tion, il est possible de créer des empilements de récu- pérateurs stables, à parois minces et économisant maté- riaux et espace. Un tel empilement de récupérateur s'ob- tient si on utilise les briques de structure inclinées comportant des pentes de même orientation ou d'orienta- tion changeant les unes par rapport aux autres. Si on part de la direction d'écoulement principal des milieux lors de l'exécution des changements de direction, on obtient une disposition appropriée dans le sens de la turbulence et du courant adjacent, si les changements de direction des puits d'empilements sont par rapport à la direction principale du courant alternativement régu- liers eten zizag. On obtient un empilement satisfai- sant du point de vue des échanges thermiques et de la turbulence si on utilise les briques de structure incli- nées successivement ou en combinaison avec des briques de structure droites. Du fait qu'entre les briques de struc- ture inclinées soient introduites des briques droites en position appropriée, de sorte qu'entre les sections en zig- gaz d'un ou des puits d'empilement, on obtienne au moins une section rectiligne, on prévoit aussi des zones de su- blimation pour des constituants déterminés des milieux en écoulement. Ces zones de sublimation se trouvent dans la section rectiligne des briques de structure droites dans laquelle se produit une moindre turbulence, dans la- quelle cependant les constituants partiels cités passent de l'état gazeux à l'état solide sans avoir l'occasion de précipiter. Les particules ainsi obtenues sont entrai- nées par un flux du milieu relativement laminaire et ex- pulsées. L'invention comprend également le cas particulier d'un récupérateur à un seul canal. Pour une utilisation et une sollici- tation homogènes de tous les puits d'empilements pour des dimensions de récupérateur non modifiées, il est avan- tageux 3i les briques de structure inclinées avantageuse- ment mises en place dans le récupérateur sur les briques de structure droites, qu'elles fassent saillie dans le canal de liaison avec le four industriel et soient incli- nées par rapport à celui-ci. De cette manière, les ouver- tures des puits dans le canal de liaison sont orientées plus que Jusqu'à maintenant vers le courant du milieu et sont mieux adaptées à la direction du courant principal du milieu dans le canal de liaison. Cela concerne aussi bien le courant de gaz de fumées du four industriel vers le récupérateur que le courant d'air de combustion allant du récupérateur au four industriel. Une forme avantageuse de l'invention se caractérise en ce qu'au moins une partie des puits d'empilements avec un écart croissant pour des fours industriels comporte une grande longueur. Par uti- lisation de briques inclinées présentant des surfaces de toit et de base parallèles entre elles, on obtient un échelonnement en gradins des extrémités des puits d'em- pilements, chaque gradin captant une partie des gaz de fumée et la paroi orientée vers le gradin de puits d'em- pilements suivant représentant la surface de rebondisse- ment pour le courant partiel de gaz qui est dirigé sur un gradin se trouvant dans le ou les puits d'empilements ou immédiatement avant. Le gradin de puits d'empilement le plus bas est le plus proche du four et le gradin le plus haut est disposé le plus loin de ce dernier. Un autre perfectionnement de l'invention réside en ce que les puits d'empilement inégalement inclinés, mais dis- posés régulièrement, sont prolongés de telle sorte que les faces d'entrée et de sortie des courants du milieu de l'empilement, les surfaces de toit des briques de structure inclinées disposées aux extrémités du puits sont placées dans un plan pratiquement à angle droit par rapport à la direction de l'écoulement principal dans le canal de liaison. L'inclinaison ou l'inclinaison moyenne de la surface d'afflux de l'empilement coopère avec l'as- pect constructif du canal de liaison, de sorte que l'afflux des milieux et de ce fait la répartition de la pression sur la totalité de la surface d'afflux soit pratiquement régulière. Cet état de chose représente une condition importante pour la traversée des puits d'empi- lement relativement régulière sur la totalité de la sec- tion de l'empilement. L'invention va maintenant être ex- plicitée plus en détail à l'aide des figures schématiques représentant huit exemples de réalisation. Ces dernières montrent: - figure 1, la vue de face d'une brique de structure cruciforme inclinée; - figure 2: la vue latérale de la figure 1 - figure 3, la vue en plan de la figure 1; figure 4, la vue de face d'une brique de structure creuse inclinée; figure 5, la vue latérale de la figure 4; - figure 6, la vue en plan de la figure 4; - figure 7, en coupe longitudinale, une partie d'un pre- mier puits d'empilement obtenu par utilisation d'une bri- que de structure selon l'invention; - figure 8, en coupe longitudinale, une partie d'un second puits d'empilement obtenu par utilisation d'une brique de structure selon l'invention; - figure 9, une partie d'un empilement selon une coupe longitudinale; - figure 10, une coupe longitudinale à travers la partie supérieure d'un empilement de récupérateur; - figure 11, une coupe longitudinale à travers la partie supérieure d'un empilement présentant une surface d'afflux en gradins; figure 12, une coupe longitudinale à travers la partie supérieure d'un empilement présentant une surface d'afflux verticale. Sur les figures 1, 2 et 3, on peut voir une brique de structure 1 dont les ailes 2 et 3 se croisent à angle droit et comportent communément une sur- face de base 4 et une surface de toit 5. La brique de structure 1 possède dans la zone de croisement des ailes 2 et 3 un axe géométrique 6 qui est représenté sur les figures 1 à 3 par ses prolongements et se situe dans le milieu entre les surfaces de toit 5 et de base 4 au cen- tre de gravité 7 de la brique 1. La surface de toit 5 est inclinée sur la surface de base 4 dans deux directions latérales, de sorte que soitconstituée une brique de structure cruciforme inclinée dans deux directions dont la projection 8 du centre de gravité 7 se trouve à l'in- térieur de la surface de base 4. La brique de structure 1 est munie sur sa surface de base 4 de gorges 9 et sur sa surface de toit 5 de ressorts 10 qui favorisent l'as- semblage et la stabilité d'un empilement ainsi obtenu. Les figures 4, 5 et 6 montrent une brique de structure creuse octogonale de forme annulaire 11 comportant une enveloppe 12 qui comprend une surface de base 1" et une surface de toit 14 munies respective- ment de gorges 15 et de ressorts 16, qui facilitent l'edification d'un empilement et doivent accrottre sa stabilité. La brique de structure 11 possède un axe de symétrie 17 entre la surface de base 13 et la surface de toit 14, au milieu desquelles se trouve le centre de gra- vité 18. La surface de toit 14 est inclinée dans une di- rection sur la surface de base 13, de sorte que la pro- Jection 19 du centre de gravité 18 se trouve à l'inté- rieur de la surface de base 13, et qu'une brique de struc- ture inclinée prenne naissance dans une direction. Les dimensions des briques de struc- 2r ture inclinées 1 et 11 peuvent correspondre à celles des briques de structure droite connues. Les surfaces de base 4 et 13 intervenant pour la position des projections 8 et 19 déterminent aussi les surfaces se trouvant entre les ailes 2 et 3 et les surfaces entourées par l'enveloppe 12 dans le plan de projection des figures 3 et 6. La figure 7 montre des briques de structure inclinées creuses 21 à 24 qui sont placées l'une par rapport à l'autre dans des directions opposées différentes, et forment un puits d'empilement 25. Un mi- lieu 26 traverse le puits 25 de façon correspondante aux changements de direction en forme d'onde, o à partir des arêtes 27 faisant saillie dans le puits 25, on produit des turbulences 28 énergiques et un courant adjacent, de sorte que l'effet de transmission de chaleur soit amélio- ré d'au moins 30 %. Les changements d'orientation a du puits 25 par rapport à une direction principale 29 du milieu 26 varient régulièrement et atteignent 30 . Sur la figure 8, un puits d'empile- ment 30 possède des parties en zigzag 31, 32 équipées de briques de structure creuse et une partie droite 33 équi- pée de briques de structure droites. Tandis que dans les parties en zigzag 31, 32, on crée à l'aide des briques de structure inclinées une variation régulière a = + 45 de l'orientation des puits d'empilement 30 par rapport à une direction d'écoulement principal 34 d'un milieu 35 gazeux en écoulement, le changement d'orientation de la partie droite 33 par rapport au dernier tronçon de la partie en zigzag 31 ou le premier tronçon de la partie en zigzag 32 par rapport à la partie droite 33 atteint 45 , de sorte que la partie droite 33 se situe parallèlement à la direction de l'écoulement principal 34. Dans les tronçons en zigzag 31, 32, se produit une forte turbu- lence du milieu en écoulement 35 sur les arêtes 36 qui est provoquée par les changements d'orientation successifs. Par contre, le courant du milieu 35 est relativement laminaire dans la partie droite 33. Au passage entre la partie en zigzag 31 et la partie droite 33, le milieu 35 qui est introduit dans le puits 30 de façon correspondan- te à une température élevée et qui par exemple est débar- rassé des fractions de sulfates, possède une température de 1000 C. Au passage de la partie droite 33 à la partie en zigzag 32, la température du milieu en écoulement atteint encore 800 C. Dans ce domaine de température, la fraction de sulfate passe de l'état gazeux à l'état solide pour former des particules qui à travers le courant de milieu 35 relativement homogène dans la partie droite 33 ne précipitent pas, ni ne s'agglutinent. Par contre, il pourrait se former d'importants précipités de sulfates en raison du comportement hétérogène de l'écoulement du milieu 35 sur la section dans un domaine en zigzag rem- plaçant une zone droite, ce qui pourrait donner lieu à des bouchons. Sur la figure 9 sont disposés dans une enveloppe de récupérateur 39, trois canaux 41, 42, 43 formés à partir de briques de structure droites et in- clinées 39, 40, 37, à travers lesquels s'écoule les mi- lieux gazeux 44, 45, 46. Les surfaces de toit des briques de structure inclinées 37 forment avec leur surface de base un angle de 90 , de sorte que se forme une section triangulaire. Dans la zone des briques de structure in- clinées 40, 37 se produit plusieurs changements de di- rection des milieux 44, 45, 46 dans les canaux 41, 42, 43 et de ce fait des turbulences et un courant adjacent qui entraîne un transfert de chaleur plus important des milieux (gaz de fumée) 44, 45, 46 sur les parois des ca- naux 41, 42, 43, ou, un apport de chaleur aux milieux (air de combustion) 44, 45, 46 à partir des parois de ces memes canaux 41, 32, 43. Apport et transmission de chaleur ont lieu en alternance et successivement. Selon la figure 10, un récupérateur 48 équipé, d'un empilement 47 est relié par un canal de liaison 49 comportant une surface oblique 50 à un four de fusion 51 représenté seulement en partie. L'empilement 47 comporte à sa partie tournée vers le canal de liaison 49 des briques de structure inclinées 52 qui définissent les extrémités inclinées 53 du puits de l'empilement 54 et une surface d'afflux plane 55 pour un milieu en écou- lement 56. Le canal de liaison 49 est pourvu d'une ou- verture de brûleur 57. Du fait que les extrémités de puits 53 soient inclinées par rapport au courant des milieux (gaz de fumée) 56, celui-ci pénètre déjà dans le puits 54 le plus rapproché du four de fusion 51, de sorte qu'également ceux-ci soient répartis pour l'échange de chaleur de manière analogue à ceux de puits se trouvant tl les plus éloignés du four de fusion. Une structure corres- pondante du canal de liaison 49, en particulier une dis- position oblique et des dimensions appropriées de la sur- face inclinée 50 augmentent cet effet. Sur la figure 11, on décrit un récu- pérateur 58 relié par un canal de liaison 59 à un four de fusion non représenté, de façon analogue à la figure 10, les gaz de fumée (gaz d'échappement) s'écoulant dans le récupérateur 58. Ce dernier comprend un empilement 61 en briques de structure droite verticales qui à sa partie supérieure dans la partie 62 faisant saillie dans le ca- nal de liaison se transforme en un empilement à partir des briques de structure inclinées sur le courant de gaz d'échappement 60. Les briquesde structure inclinées de la partie 62 sont cruciformes, disposées en gradins et don- nent le puits d'empilement 63 comportant unintervalle croissant à partir du four de fusion placé comme sur la figure 10 avec une longueur croissante. Par la disposition en gradins et la conformation de la partie supérieure 62 de l'empilement 61, toutes les ouvertures 64 des puits d'empilement 63 se trouvent de manière régulière dans le courant inversé des gaz d'échappement 60 dont les renversements partiels se produisent d'abord sur les surfaces orientées des briques cruciformes 65 et ensuite sur une surface oblique 66 du canal de liaison 59. Sur la figure 12, on décrit de façon analogique à la figure 10 un récupérateur 68 équipé d'un empilement vertical 67 relié par un canal de liaison 69 à un four de fusion non représenté. Les puits 70 de l'em- pilement 67 sont disposés obliquement à leur partie supé- rieure dans la partie 71 faisant saillie dans le canal de liaison 69 en-dessous d'une surface inclinée 72 et se ter- minent sur un plan d'arrivée 74 dans lequel se trouvent leurs ouvertures au moins à peu près à angle droit par rapport à la direction de l'écoulement principal 73. Pour la mise en place de la partie 71 de l'empilement 67 com- portant les puits obliques 70, on a utilisé des briques de structure creuses inclinées à 45 dont les surfaces de toit 75 et les surfaces de base 76 sont parallèles les unes aux autres. Pour que les ouvertures des puits 70 se situent dans un plan 74 des briques de structure inclinées 77 sont mises en place en tant qu'arrêt, dont les surfaces de toit 78 forment un angle de 90 avec les surfaces de base. Un courant de milieux 80 sortant du four de fusion pénètre à travers le canal de liaison 69 dans les ouver- tures des puits obliques 70 et fait impact, ce par quoi il se répartit sur les puits individuels 71, 70 de façon pratiquement homogène sur chacun d'entre eux. L'échange entre le courant de milieu 80 et l'empilement 67 se tra- duit une fois par le dégagement de chaleur ou l'échauf- fement souhaités et par ailleurs par des précipités et des corrosions non souhaitées. L'invention n'est pas limitée aux dimensions et aux proportions des Driques de structure inclinées des figures 1 à 6. Il est aussi possible de munir de cavités ces briques de structure inclinées dans leurs ailes et leur surface d'enveloppe et/ou de modifier la forme de leur section. L'inclinaison des briques de structure n'est liée à aucun angle déterminé seulement quand il est assuré de façon suffisante que la stabilité et la solidité ne sont pas influencées défavorablement, ni leur fabrication compliquée et leur assemblage in- fluencé défavorablement ainsi que la résistance à la cor- rosion. Les puits d'empilement peuvent être réalisés obliquement dans deux plans au lieu d'un seul. A la place de la représentation de la figure 11, dans laquelle sont contenus principalement deux puits d'empilement 63 sur un gradin, l'échelonnement peut être aussi prédéterminé de puits d'empilement à puits d'empilement. Il est aussi possible d' échelonner seulement la partie des puits d'em- pilement qui ne se trouve pas au voisinage de la surface oblique 66, dans un plan individuel. Sur la figure 12, l'empilement 67 peut aussi être introduit sur le plan d'afflux 74 en outre dans le domaine horizontal du canal de liaison 69. En outre, les plans d'afflux 74 du courant du milieu 80 sont rejetés à l'opposé. Finalement, il est possible de placer les briques de structure obliques de façon à ce que leurs pentes s'étendent dans des directions différentes de sorte qu'également les pentes des briques ne déterminent pas un seul plan comme on le décrit sur les figures 7 à 12. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Briques de structure inclinées en matériau réfractaire pour grilles de récupérateur de chaleur avec une section cruciforme ou annulaire ainsi qu'une surface de base et une surface de toit o chaque récupérateur est relié pour la récupération de chaleur par un canal de liaison pour un courant d'agent à un four industriel, caractérisé en ce que la surface de toit (5) est décalée dans au moins une direction latérale avanta- geusement parallèlement à la surface de base (4) de façon à ce que la brique de structure soit formée de façon in- clinée et que le décalage de la surface de ce toit par rapport à la surface de base se présente de façon à ce que la projection (8) du centre de gravité (7) de la bri- que de structure se situe sur la surface de base (4). 2 ) Brique de structure selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que la surface de base (4) et la surface de toit (5) sont inclinées l'une par rapport à l'autre. 3 ) Empilement pour la mise en oeu- vre des briques de structure inclinées selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les briques de structure inclinées sont disposées en alternance avec des inclinai- sons dirigées vers le bas du puits. 4 ) Empilement qui a été obtenu à partir des briques de structure inclinées de la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les briques de structure inclinées sont disposées avec une même inclinaison vers le puits. 5 ) Empilement selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les bri- ques de structure inclinées sont combinées avec des bri- ques de structure droites. 6 ) Empilement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les briques de structure incli- nées sont disposées sur les briques de structure dans le récupérateur, font saillie dans le canal de liaison (69) et sont inclinées vers le four industriel. 7 ) Empilement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les surfaces de toit des briques de structure inclinées sont disposées dans le canal de liaison (69) aux extrémités du puits en étages à partir desquels l'étage le plus bas est placé le plus près du four industriel et l'étage le plus haut, au plus loin de ce dernier. 8 ) Empilement selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les sur- faces de toit des briques de structure inclinées sont pla- cées aux extrémités du puits dans le canal de liaison dans un plan pratiquement perpendiculaire à la direction d'écou- lement principal des milieux.