Brevet FR2629907A1 — publié le 19891013

La présente invention concerne d'une façon générale les échangeurs thermiques du type comportant des éléments séparant un gaz d'un liquide, quel que soit le sens dans lequel se produit l'échange de chaleur. Dans des échangeurs de chaleur par surface, différentes raisons peuvent conduire à vouloir élever ou abaisser la température des surfaces d'échange séparant les deux fluides. On peut, par exemple, vouloir élever la température d'un côté de la surface d'échange pour éviter la condensation sur l'autre côté de celle-ci de vapeurs contenues dans le fluide à réchauffer. Les chaudières à tubes de fumées, ou les chaudières à tubes d'eau sont des exemples types d'échangeurs thermiques dans lesquels sont susceptibles de se produire de telles condensations, et le souci de les éviter est en particulier celui des constructeurs de ces chaudières. En effet, une température trop basse des tubes provenant d'une température d'eau trop basse peut provoquer la condensation de vapeur d'eau contenue dans les fumées, voire la formation d'acides sous forme liquide (par exemple acide sulfurique) qui, immanquablement, provoquerait des corrosions importantes. En conséquence l'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, dans son application à des chaudières à tubes de fumées et à des chaudières à tubes d'eau. Dans les chaudières à tubes de fumées qui sont habituellement utilisées pour chauffer l'eau d'un circuit de chauffage basse température (c'est-à-dire qu'elles fonctionnent à moins de 1100C), si la température de l'eau n'est pas suffisante, la température de paroi des tubes des échangeurs tubulaires peut etre inférieure au point de rosée des fumées et des condensations peuvent par conséquent se produire dans les tubes de fumées. Ces condensations sont acides et corrodent l'acier des tubes. Des précautions doivent donc être prises pour assurer aux tubes une longévité convenable. Dans ce but, on utilise de façon classique différents procédés dont l'essentiel consiste à imposer dans la chaudière, au niveau des échangeurs tubulaires, une température supérieure au point de rosée des fumées. Cependant dans une installation de chauffage à eau chaude, il n'est pas toujours nécessaire que les radiateurs soient alimentés en eau à une telle haute température. En conséquence, si l'on maintient une température d'environ 800C pour l'eau au départ de la chaudière, afin d'éviter une condensation dans les tubes de fumées, cette eau est mélangée, pour alimenter les radiateurs, avec l'eau de retour du chauffage au moyen d'une vanne à trois ou quatre voies, et éventuellement au moyen également d'une pompe de recyclage. Ces moyens pour éviter la condensation nuisible dans les tubes de fumées sont classiques mais présentent des inconvénients. En effet, plus la température de l'eau, dans la chaudière est élevée, plus importantes sont les déperditions à travers les parois de la chaudière. De plus le coût des vannes et des pompes est important et vient grever l'installation. Dans une chaudière de ce type, l'échange thermique entre les fumées et la paroi des tubes s'effectue par convection forcée, tandis qu'entre ladite paroi et l'eau, il s'effectue par convection naturelle. La coefficient d'échange entre la paroi des tubes et l'eau d'une part et entre cette paroi et l'eau d'autre part est dans un rapport de 20/1. En d'autres termes, la température de la paroi des tubes est beaucoup plus proche de celle de l'eau que de celle des fumées. I1 est donc nécessaire de contrôler la température de l'eau afin que la température de la paroi des tubes ne soit jamais inférieure au point de rosée des fumées. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients au moyen d'un dispositif grâce auquel la température de paroi des tubes de fumées se trouve toujours élevée, permettant ainsi de supprimer les vannes et les pompes précitées, et d'améliorer le ren demt de la chaudière en diminuant la température moyenne de l'eau dans celle-ci, et ainsi les pertes qui proviennent réellement de la chaudière. L'invention a pour objet à cet effet un dispositif pour empêcher la condensation sur les éléments d'un échangeur thermique séparant deux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un chemisage délimitant au voisinage immédiat d'une surface d'échange desditséléments, au moins un faible intervalle dans lequel pénètre et circule lentement un volume réduit de l'un desdits fluides. Dans le faible volume ainsi délimité, le fluide s'écoule lentement et sa température se trouvera être,selon le cas, plus chaude ou plus basse que celle de l'ensemble des fluides, ce qui augmentera ou abaissera la température de la surface d'échange. Grâce à cet agencement on établit une première résistance thermique entre le liquide se trouvant dans ledit intervalle et le chemisage, et une seconde résistance thermique entre ledit chemisage et le reste du liquide à chauffer dans la chaudière, la résistance thermique totale ainsi obtenue étant supérieure à la seule résistance thermique obtenue par le contact direct- des- parties de la chaudière dans lesquelles circulent les fumées, avec le liquide à chauffer. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une chaudière comportant un chemisage suivant l'invention. La figure 2 en est une vue en coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel il est prévu un chemisage double. La figure 4 est un schéma montrant l'application de l'invention dans le cas d'une chaudière à tubes d'eau. En se référant aux figures 1 à 3, une chaudière à eau à tubes de fumées désignée dans son ensemble par la référence 1, pour une installation de chauffage, comporte comme connu en soi un corps 2, un brûleur 3, une chambre de combustion 4-, une boite de fumées arrière 5, un échangeur thermique comprenant une série de tubes de fumées 6 en acier et une boite à fumées avant 7. Suivant l'exemple représenté aux figures 1 et 2, il est prévu autour de chacun des tubes de fumées 6 un chemisage constitué par des tubes en métal mince 8 entourant concentriquement chaque tube 6 et délimitant avec celui-ci un faible intervalle 9 ouvert à une extrémité au moins afin de permettre l'entrée de l'eau dans cet intervalle. Les tubes 8 peuvent être fixés d'une façon que conque appropriée par une extrémité sur la plaque à tubes 10 fermant la chaudière. Grâce à cet agencement la faible couche de liquide se trouvant dans l'intervalle 9 est rapidement chauffée, et la température de paroi des tubes de fumées 6 est toujours au moins égale à la valeur du point de rosée des fumées, sans qu'il soit nécessaire de maintenir la masse totale de l'eau de la chaudière à une température de même valeur. Dans une chaudière à tubes de fumées, les tubes peuvent être gainés extérieurement par un tube dans lequel l'eau de la chaudière pénètre librement. Toutefois, l'eau contenue dans l'espace annulaire entre les deux tubes sera très peu en circulation, d'une part compte tenu des pertes de charge relativement importantes que provoquent les deux surfaces de tubes en contact avec l'eau contenue dans l'espace annulaire, pertes de charge qui sont d'autant plus fortes que la différence de diamètres entre les deux tubes sera plus faible. Pour limiter la vitesse de circulation, on pourra même ne prévoir que l'entrée d'eau se fasse à une seule extrémité. Dans ce cas, la chaleur pour aller depuis les fumées vers l'eau devra franchir plusieurs résistances thermiques. Les risques de corrosion sont en général assez faibles sur les foyers des chaudières, en raison de la quantité de chaleur transmise par le foyer. Si toutefois il stavérait nécessaire de protéger le foyer contre la condensation, on pourrait alors, suivant l'invention, prévoir un chemisage 13 entourant partiellement le foyer, comme représenté à la figure 3, (ou complètement) afin de protéger soit la seule partie inférieure, pratiquement sur toute sa longueur, soit la totalité de sa surface avec une mince pellicule d'eau. Dans cette figure, dans laquelle les organes analogues sont désignés par les mêmes références, il est prévu un chemisage 13 constitué par des feuilles de métal mince légèrement espacées de la paroi 14 de la chambre de. combustion 4 qui est en contact avec le liquide et délimitant à l'extérieur de celle-ci un intervalle 15 non fermé dans lequel le liquide peut circuler. En outre, il est prévu un chemisage double autour des tubes de fumées 6, constitué par un premier tube 8 entourant concentriquement chaque tube de fumées 6, comme décrit en référence aux figures 1 et 2, et par un second tube 16 entourant concentriquement le premier tube 8 et délimitant autour de celui-ci un faible intervalle 17 non fermé, dans lequel le liquide peut circuler. Bien que non visible à la figure 3, la boite à fumées 5 peut également comporter une plaque de chemisage externe 13 afin d'éviter également une condensation dans celle-ci. L'adjonction de ce chemisage supplémentaire permet d'augmenter encore plus l'écart de température entre-la masse totale du liquide et la paroi des tubes de fumées tout en maintenant la mince enveloppe de liquide en contact avec les tubes de fumées à une température élevée appropriée pour éviter les condensations dans ces tubes, augmentant ainsi leur durée de vie sans que la réduction du coefficient d'échange global entre les tubes de fumées et le liquide n'affecte de façon perceptible l'efficacité de l'échange thermique et donc le rendement de la chaudière. Le chemisage n'étant soumis à aucune pression peut être constitué par des tubes et/ou des tôles de faible épaisseur, donc peu coûteux. L'adjonction des tubes réalisant un chemisage, ne change pratiquement pas le coefficient d'échange global entre les fumées et l'eau. On sait, en effet, que l'inverse du coefficient d'échange global est égal à la somme des inverses des coefficients d'échange partiels. Si l'on donne, comme indiqué, la valeur 20 au coefficient d'échange entre le tube et l'eau et la valeur 1 au coefficient d'échange entre les fumées et le tube, on constate que À+I n'est entre les fumées et le tube, on constate que 20 1 pas très différent de 1 + 1 + 20 + 1 dans la deuxième 20 20 20 somme on a considéré, ce qui est une approximation, que les coefficients d'échange entre les tubes de fumées et l'eau comprise dans l'espace annulaire, entre l'eau comprise dans l'espace annulaire et le tube de chemisage, et entre le tube de chemisage et la masse d'eau de la chaudière, étaient sensiblement égaux. L'invention trouve notamment son application dans les chaudières brûlant des combustibles riches en hydrogène tels que par exemple les hydrocarbures liquides ou gazeux. On a représenté schématiquement à la figure 4 l'application d'un dispositif suivant l'invention à une chaudière à tubes d'eau. Dans cet exemple de l'eau 20 circule dans un tube 21 disposé dans une enceinte 22 dans laquelle circulent des fumées. Un chemisage 23 d'un diamètre très légèrement inférieur au diamètre-intérieur du tube 21 est introduit à l'intérieur de celui-ci de manière à délimiter, comme dans l'exemple précédent, un faible intervalle 24 rempli d'eau, cette eau circulant beaucoup moins rapidement que le reste de l'eau transitant dans le tube. Dans cet exemple encore on peut, au choix, soit établir près de l'entrée un dispositif empêchant l'eau d'entrer dans l'espace annulaire compris entre les deux tubes, la seule communication se faisant par la sortie,soit permettre que la communication se fasse aussi bien à l'entrée qu'à la sortie. S'il n'y a communication qu'à la sortie, le déplacement de l'eau contenue dans l'espace annulaire entre les deux tubes sera très faible, se faisant simplement en fonction d'un mouvement de convection naturelle ou de la dilatation de l'eau contenue dans l'espace annulaire et qui se trouve réchauffée. Dans le cas où l'eau pourrait rentrer dans l'espace annulaire par chaque extrémité,elle circulerait néanmoins à une vitesse beaucoup plus faible que celle à laquelle elle circule dans le centre du tube car les pertes de charge dans l'espace annulaire sont relativement fortes et s'opposent à un écoulement rapide. L'eau qui a le choix entre deux circuits préfère naturellement le circuit dans lequel l'écoulement est le plus facile. Dans les deux cas, c'est-à-dire que la communication s'établisse librement à chaque extrémité ou qu'elle ne s'établisse qu'à une des extrémités du tube d'eau, on obtient un résultat analogue, savoir la protection des éléments d'échange thermique contre la corrosion due à la condensation, celle-ci étant pratiquement empêchée. On comprend bien entendu que l'invention est aussi bien applicable à des éléments d'échangeurs thermiques autres que des chaudières et ayant en section des formes autres que circulaires, ces éléments pouvant également être rectilignes ou non. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour empêcher la condensation sur les éléments d'un échangeur thermique séparant deux fluides, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un chemisage (8, 13, 16, 23) délimitant au voisinage immédiat d'une surface d'échange desdits éléments (6, 14, 21) un faible intervalle (9, 15, 17, 24) dans lequel pénètre et circule lentement un volume réduit de l'un desdits fluides. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chemisage (8, 13, 16, 23) est constitué par une feuille ou un tube en métal mince. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit intervalle (9, 15, 17, 24) est ouvert au moins à une extrémité. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit chemisage est constitué de plusieurs tubes ou feuilles (8., 16) délimitant entre eux et avec ledit élément plusieurs intervalles (9, 17) dans lesquels pénètre ledit fluide.