Brevet FR2633379A1 — publié le 19891229

L'invention concerne un échangeur de chaleur à impact de jets, du type comprenant des nappes alternées parallèles de circulation respectivement d'un courant de gaz chaud et d'un courant de gaz froid, ces nappes étant délimitées par des plaques formant surface d'échange, entre lesquelles sont disposées des boîtes de déviation du courant de gaz pour former les jets qui viennent frapper les surfaces d'échange. On connaît d*Jà des échangeurs de ce type, dont les composants sont réalisés en céramique pour résister a des températures élevées de l'ordre de 1400-1500'C. Par le Brevet français n 2 526 930 de la Demanderesse, on connaît en particulier un échangeur gaz-gaz en céramique dans lequel les nappes ou passages de circulation de gaz chaud et de gaz froid sont délimitées 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. Par la Demande de Brevet français n 87.11 335 de la Demanderesse, on connait également un échangeur de ce type, dans lequel les boîtes de déviation des courants de gaz, qui sont placées dans les nappes parallèles, sont des blocs unitaires librement juxtaposés dans chaque nappe, chacun de ces blocs comprenant des moyens de support et de positionnement coopérant avec les surfaces d'échange 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 des moyens assurant la continuité de l'écoulement du gaz vers le bloc suivant, et le positionnement par rapport a ce bloc. L'un des avantages de cet échangeur est sa facilité d'assemblage, puisque, dans chaque nappe de circulation de gaz chaud ou de gaz froid, il suffit de juxtaposer librement des blocs unitaires en céramique réalisant les fonctions voulues de guidage et de déviation de gaz. L'inconvénient de cet échangeur est cependant le coût élevé de fabrication et d'usinage de ces blocs unitaires en céramique. L'invention a pour but de conserver les avantages de cet échangeur de chaleur, tout en évitant l'inconvénient de l'usinage des pièces en céramique. Elle propose a cet effet un échangeur de chaleur å impact de jets, du type décrit ci-dessus, dans lequel chacune des boites de déviation du courant de gaz comprend une face ouverte d'entrée de gaz et une face opposée fermée, reliées par des parois å fentes ou orifices de passage de gaz formant les jets précités, cet échangeur étant caractereisé en ce que chaque boîte est constituée de plaques indépendantes sensiblement planes et d'éléments de support sensiblement plans emboîtes les uns dans les autres pour former une structure autoportante, et en ce que les boîtes sont juxtaposées librement les unes aux autres dans chaque nappe, en formant au moins une file de boites orientées dans le même sens et alignées dans la direction générale de l'écoulement du courant de gaz qui circule entre ces deux surfaces d'échange. Les plaques et les éléments de support des boîtes de déviation peuvent être conformes de façon simple par moulage et pressage å cru, sensiblement sans usinage. Leur assemblage se fait par emboitement. Il suffit ensuite de disposer les boites de déviation les unes derrière les autres entre les surfaces d'échange de l'échangeur. On évite ainsi tous les problèmes délicats d'usinage et d'assemblage rencontrés dans la technique antérieure. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les éléments de support comprennent des rainures dans lesquelles sont reçus les bords des plaques planes, ces dernières comprenant à leurs extrémités des pattes en L dans lesquelles sont engagées les extrémités des éléments de support. On obtient ainsi une structure autoportante par simple emboîtement des éléments les uns dans les autres. Selon une autre caractéristique de l'invention, les nappes de circulation de gaz chaud sont a extrémités longitudinales ouvertes, formant les entrées et sorties de gaz chaud, tandis que les extrémités longitudinales des nappes de circulation de gaz froid sont fermées, les entrées et sorties de gaz froid étant formées dans au moins un flasque latéral de l'échangeur On simplifie ainsi le raccordement des nappes de l'échangeur aux conduits d'entrée et de sortie des gaz chauds et des gaz froids. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'èchangeur comprend plusieurs sous-ensembles modulaires d'échange de chaleur, juxtaposés latéralement dans une même enceinte thermiquement isolée associée a des conduits longitudinaux d'entrée et de sortie de gaz chaud, et å des conduits latéraux d'entrée et de sortie de gaz froid, chaque sous-ensemble comprenant au moins un empilement de nappes alternées de circulation de gaz chaud et de gaz froid, respectivement. Il est en effet très facile, selon l'invention, de constituer des ensembles modulaires d'échange de chaleur, que l'on peut ensuite Juxtaposer, en parallèle, pour constituer un échangeur de chaleur possédant les caractéristiques désirées d'échange thermique et de débit. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le ou chaque conduit d'entrée de gaz froid débouche å i'intérieur de l'enceinte pour assurer son refroidissement interne par circulation du gaz froid, tandis que les conduits d'entrée et de sortie de gaz chaud et le conduit de sortie de gaz froid sont reliés aux sous-ensembles modulaires par des collecteurs. Le refroidissement interne de l'enceinte par circulation du gaz froid, avant que celui-ci ne pénètre dans les sous-ensembles modulaires d'échange de chaleur, permet de réduire dans une large mesure le calorifugeage de l'enceinte. De façon générale, l'échangeur de chaleur selon l'invention présente, pour une efficacité thermique globale comparable à celle d'échangeurs de la technique antérieure, un encombrement inférieur et un prix de revient beaucoup plus faible, du a une diminution importante de la masse de céramique utilisée et a la quasi-suppression des opérations d'usinage sur les pièces en céramique. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite a titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation, avec arrachement partiel, d'un ensemble modulaire d'échange de chaleur selon l'invention - la figure 2 est une vue de gauche de cet ensemble - la figure 3 est une vue de dessus de cet ensemble, avec une demi-vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 - la figure 4 est une vue en plan d'une plaque faisant partie d'une boîte de déviation de l'échangeur de la figure 1; ; - la figure 5 est une vue en plan d'un élément de support de cette plaque - la figure 6 est une vue de bout de cet élément - la figure 7 est une vue en plan d'un autre élément de support - la figure 8 est une vue de bout de cet élément - la figure 9 est une vue en plan d'une boite de déviation composée des plaques et éléments représentés dans les figures 4 a 8 - la figure 10 est une vue schématique, en coupe transversale, d'un échangeur de chaleur comprenant quatre ensembles modulaires selon l'invention - la figure 11 est une vue en coupe longitudinale de cet échangeur - la figure 12 est une vue en coupe d'un moyen de support et de retenue de l'échangeur des figures 10 et 11. On fera tout d'abord référence aux figures 1 a 9, qui représentent un ensemble modulaire d'échange de chaleur selon l'invention, et ses éléments constituants. L'ensemble modulaire d'echange de chaleur représenté dans les figures 1 à 3, désigné généralement par la référence 10, comprend deux flasques latéraux 12 a structure alvéolaire, qui sont réalisés par exemple en une céramique telle que du carbure de silicium. Les flasques latéraux 12 sont reliés par des plaques planes parallèles 14, également en céramique, dont les bords sont engagés dans des rainures de la surface interne des flasques latéraux 12. Comme représenté en figure 1, chaque plaque 14 a une longueur égale à celle de la moitié de l'ensemble modulaire 10, et deux plaques 14 placées bout a bout sont raccordées par une barrette 16 å section en H, egalement en céramique. Les plaques planes 14 délimitent entre elles cinq nappes parallèles 18 de circulation de courants de gaz chaud et de gaz froid, qui sont agencées en alternance de telle sorte que chaque nappe 18 de circulation d'un courant de gaz chaud soit placée entre deux nappes 18 de circulation d'un courant de gaz froid, les plaques 14 formant les surfaces d'échange entre nappes. Dans chaque nappe 18 sont placées des boîtes 20 de déviation du courant de gaz, les boites 20 étant, dans chaque nappe, orientées dans le même sens et disposées les unes derrière les autres pour former une file sensiblement continue de boîtes dans la direction générale de l'écoulement du courant de gaz. On voit par exemple en figure 1 que la nappe supérieure 18 de l'ensemble modulaire 10 comprend quatre boites 20 orientées dans le même sens, tandis que ra nappe 18 immédiatement inférieure comprend quatre boites 20 orientées en sens inverse, le gaz chaud et le gaz froid circulant å contre-courant d'ensemble dans l'échangeur de chaleur. Comme on le voit mieux en référence aux figures 4 à 9, chaque boîte de déviation 20 comprend des plaques planes 22 montées bout & bout par emboitement sur des éléments de support 24 et 26 sensiblement plans. Chaque plaque plane 22 est de forme sensiblement rectangulaire et est formée, à l'une de ses extrémités, avec deux pattes 28 en L orientées vers l'extrémité opposée å la plaque 22. Chaque plaque comprend par ailleurs une série d'ouvertures allongées 30 disposees en quinconce. Le premier élément de support 24 a la forme d'un barreau ou d'une barre plate dont une face comprend deux rainures 32 parallèles, destinées à recevoir les bords des plaques 22. Entre ces rainures 32, deux ouvertures allongées 34 sont formées à travers l'élément 24, pour constituer des orifices d'entrée de gaz. Les grands côtés de l'élément 24 sont prolongés par des pattes planes 36, destinées à coopérer avec les pattes 2a des plaques 22. L'autre élément de support 26 est également en forme de barre plate et comprend, sur une de ses faces, deux rainures parallèles 38, destinées a recevoir les bords des plaques 22. La largeur de l'élément de support 26 est inférieure à celle de l'élément 24, et ses grands cotés comprennent chacun deux échancrures encadrées par trois saillies 40, destinées à venir en appui sur les plaques 14 délimitant les nappes de l'échangeur et à délimiter avec les plaques 14 des orifices 42 de passage de gaz. L'assemblage d'une boite de déviation 20 se fait de la façon suivante les deux éléments de support 24 et 26 sont disposés parallèlement et l'un en face de l'autre, leurs faces comprenant les rainures 32 et 38 étant tournées l'une vers l'autre. Les plaques 22 sont introduites par glissement dans les rainures 32 et 38 des éléments de support, jusqu'à ce que leurs pattes 28 viennent engager les extrémités des éléments de support, comme représente en figure 9. Chaque plaque plane 22 a une longueur sensiblement égale a la moitié de celle des éléments de support, de sorte que deux plaques planes 22 sont montées bout à bout et en opposition pour former une paroi de la boite 20 entre les deux éléments de support 24 et 26.Comme on le voit en figure 1, les plaques 22 des boites 20 sont légèrement convergentes en direction de l'élément de support 26, c'est-à-dire dans la direction générale d'écoulement du gaz circulant dans la nappe correspondante 18 de l'échangeur. Les boîtes 20 ainsi assemblées ont une structure autoportante et sont simplement posées l'une derrière l'autre dans chaque nappe 18. La hauteur de chaque boite 20, c'est à-dire la largeur de chaque élément de support 24, 26, correspond å la distance entre plaques parallèles 14 et la longueur des boîtes, c'est-à-dire celle des éléments de support 24, 26 correspond à la distance entre flasques latéraux 12. Les nappes 18 de circulation de gaz froid sont fermées à leurs extrémités longitudinales par des plaques 44 de céramique, emboîtées sur les extrémités des plaques planes 14. Les entrées et sorties de gaz froid sont donc formées par des ouvertures ou orifices 46, 48 respectivement, pratiqués dans l'un des flasques latéraux 12. Les extrémités longitudinales des nappes 18 de circulation de gaz chaud sont laissées ouvertes, pour former les entrées et sorties de gaz chaud. Sur la vue de la figure 1, on comprend le fonctionnement de l'échangeur selon l'invention le gaz froid, qui est par exemple de l'air à température ambiante, est amené dans trois nappes 18 par les ouvertures 46 d'un flasque latéral 12 et circule dans ces trois nappes 18 en direction des ouvertures de sortie 48 formées dans le même flasque latéral 12. A l'intérieur de chaque boîte de déviation 20, le gaz est amen entre les plaques 22 par les ouvertures 34 de l'élément de support 24, sort de la boîte en passant par les ouvertures allongées 30 des plaques 22, en formant des jets de gaz qui viennent frapper les plaques 14 délimitant la nappe 18, puis passe dans les orifices 42 formés entre les plaques 14 et l'élément de support 26, avant de gagner la boite suivante 20 et de passer par les ouvertures 34 de l'élément de support 24 de cette boîte suivante. Le gaz chaud, qui est constitué par exemple par des fumées de combustion à une température de 1000-1300-C, circule de la même façon dans les boîtes 20 des nappes 18 correspondantes, mais s'écoule à contre-courant d'ensemble du gaz froid. Les figures 10 et 11 montrent la façon dont plusieurs ensembles modulaires 10 peuvent être associés pour constituer un échangeur de chaleur ayant des caractéristiques voulues d'échange thermique et de débit. L'échangeur 50 de la figure 10 comprend quatre pensez bles modulaires 10 juxtaposés deux à deux en carré, en étant disposés en parallèle par rapport aux courants de gaz. Cet échangeur 50 est loge à l'intérieur d'une enceinte 52 thermiquement isolée, qui est associée å des conduits 54 d'entrée de gaz froid, des collecteurs 56 de sortie de gaz réchauffé, un collecteur 58 de sortie de gaz refroidi, et un collecteur canon representé) d'entrée de gaz chaud. L'enceinte 52, de forme cylindrique, comprend une virole interne 60 en acier, recouverte d'une couche 62 de matière thermiquement isolante, entourée elle-même d'une enveloppe 64 par exemple en aluminium. Les conduits 54 d'amenée d'air froid débouchent directement a 11 intérieur de l'enceinte 52, de telle sorte que l'air froid circule à l'intérieur de l'enceinte avant de pénétrer dans l'échangeur 50 par les ouvertures 46 des flasques latéraux des ensembles modulaires 10. Ce refroidissement interne de l'enceinte permet de diminuer }'épaisseur de la couche 62 de matière isolante. Par contre, les collecteurs 56 de sortie d'air froid sont raccordés par un capotage 66 aux sorties 48 formées dans les flasques latéraux des ensembles modulaires 10. De même, le collecteur 58 de sortie de gaz chaud est raccordé aux extrémités longitudinales des nappes 18 des ensembles :nodulaires 10. Le collecteur d'amenée de gaz chaud est de préférence réalisé en béton réfractaire et peut former un support de l'enceinte 52. L'échangeur 50 est supporté, à l'intérieur de l'enceinte 52, par des briques réfractaires 68 reposant sur des poutrelles métalliques 70 horizontales dont les extrémités sont soudées sur la virole interne 60 de l'enveloppe 52. Des moyens elastiques 72 sont également prévus entre les collecteurs et l'enveloppe 52. Ces moyens élastiques, dont l'un est représenté en coupe en figure 12, comprennent une tige 74 dont une extrémité est solidaire d'une paroi métallique d'un collecteur 56, 66 ou 58 et dont l'autre extrémité est en appui sur un ressort de compression 76 et coulisse à l'intérieur d'un tube cylindrique 78 solidaire de l'enveloppe 52. Des moyens élastiques identiques 72 peuvent être prévus entre le collecteur 58 et une plaque métallique 80 fermant une extrémité de l'enveloppe cylindrique 52, du côté de la sortie des gaz chauds. Pour fixer les idées, on précisera que chaque ensemble modulaire 10 peut avoir des dimensions de l'ordre de 200 x 200 x 400 mm, pour une puissance spécifique de 3,2 kW/m3'C, et une efficacité thermique globale de 0,5 environ. Un tel ensemble modulaire est beaucoup moins encombrant que ceux de la technique antérieure et ne comprend que 60 %, en masse, de la céramique utilisée auparavant. Tous ses éléments constituants peuvent être réalisés par moulage et formage de la céramique à cru, en particulier par pressage uniaxial pour réaliser les découpes, ouvertures et orifices des différentes plaques, en évitant les opérations d'usinage à cru et après cuisson, qui étaient nécessaires dans la technique antérieure. Ces élements sont plans et sont donc, de plus, aisément transportables. Eventuellement, les plaques assemblées par emboîtement sont jointoyées au moyen d'une patte céramique, en usine ou sur site. Un échangeur 50 tel que celui de la figure 10 peut présenter par exemple les caractéristiques suivantes - efficacité thermique globale : 0,5, - puissance thermique échangée : 125 kw, - débit d'air froid : 0,192 kg/s, - débit de gaz chaud : 0,192 kg/s, - température d'entrée des gaz chauds : 1200-1300-C, - température de sortie des gaz chauds : 600-700-C, - température d'entrée d'air froid : 20-40-C, - température de sortie d'air froid : 600-700'C. IHVHID I CATI OMS 1. Echangeur de chaleur à impact de jets, comprenant des nappes alternées parallèles de circulation respectivement d'un courant de gaz chaud et d'un courant de gaz froid, ces nappes 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de support 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments de support 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de support comprennent des rainures (32, 38) dans lesquelles sont reçus les bords des plaques planes (22). 5. Echangeur selon l'une des revendications précé dentes, caractérisé en ce que les plaques plannes (22) comprennent à leurs extrémités des pattes (28) en L dans lesquelles sont engagées les extrémités des éléments de support 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque boite 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque plaque plane (22) est formée de deux demiplaques identiques, placees en opposition et bout à bout sur les éléments de support. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de chaque boîte formées par les plaques planes (22) sont légèrement convergentes dans la direction générale d'écoulement de courant de gaz. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nappes (18) de circulation. de gaz chaud sont à extrémités longitudinales ouvertes, formant les entrées et sorties de gaz chaud, tandis que les extrémités longitudinales des nappes de l'échangeur. 10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz chaud et le gaz froid circulent à contre-courant dans les nappes 11. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques planes (22) et les éléments de support (24, 26) sont en une matière thermiquement réfractaire, telle qu'une céramique, et sont réalisées par moulage et pressage a cru, puis par frittage, sensiblement sans usinage. 12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sousensembles modulaires (10) d'échange de chaleur juxtaposés latéralement dans une même enceinte (52) thermiquement isolée, associée à des conduits longitudinaux d'entrée et de ;ortie de gaz chaud et å des conduits latéraux d'entrée et de sortie de gaz froid, chaque sous-ensemble (10) comprenant au moins un empilement de nappes alternées (18) de circulation de gaz chaud et de gaz froid, respectivement. 13. Echangeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le ou chaque conduit .