Brevet FR2641067A1 — publié le 19900629

RECUPERATEUR DE CHALEUR L'invention se rapporte un récupérateur de chaleur comprenant deux tubes concentriques de différents diamètres emboîtes l'un dans l'autre, le tube extérieur étant ferme a l'une de ses extrémités et le tube intérieur ceramique ou métallique faisant saillie dans le tube exterleur et débouchant dans celui-ci juste devant l'extrémité interne du tube extérieur, un fluide à réchauffer traversant tout d'abord le tube intérieur dans un sens, puis s'écoulant dans le sens contraire dans la fente annulaire comprise entre le tube intérieur et le tube extérieur, et le tube extérieur plongeant dans un mllieu cédant de la chaleur. Par le brevet 28 08 213, on connaît un tel récupé- rateur à double tube pour four à coke à récupération. Le récupérateur se compose ici de deux tubes métalliques concentriques et, pour l'échange de chaleur entre l'air de combustion et les gaz brûlés, fait saillie dans des éléments du recupérateur du four à coke. Le tube lnterleur communique avec une entree d'air de combustion et le tube extérieur avec une sortie d'air de combustion. Les récupérateurs en métal de ce type sont limités en ce qui concerne leur température d'utilisation. C'est la raison pour laquelle pour les fluides chauds et corrosifs ont a déjà proposé l'emploi de récupérateurs céramiques (voir HdT-Fachveranstaltung "Wârmeaustauscher im industrlellen Elnsatzbereich", Essen, le 18 et 19 octobre 1988 - conférence XXIII:BL/HK/VORT avec la bibliographie qui y est clteei. L'objet de la présente invention est de proposer un récuperateur de chaleur du type précité avec lequel on puisse obtenir un transfert de chaleur aussi grand que i5 possible, une temrperature de sortie aussi élevée que possible et une perte de pression aussi faible que possible de maniere que ces récupérateurs puissent être utilises économiquement pour la récupération de chaleur industrlelie, comme par exemple des gaz brûlés des fours pour le préchauffage de l'air de combustion. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le courant volumique V du fluide à réchauffer, la longueur efficace RL des tubes, le diamètre extérieur DA du tube extérieur, la température Tu du fluide cédant la chaleur et le diamètre extérieur Di du tube intérieur, satisfont aux relations V RL - [23 (DA)2 x 11,3 - (DA)] - u I - [0, &8 (2 2 + 0, 4 3 ( DA)J (1, 3 2 5 _TU Des études ont démontre qu'on pouvait obtenir ainsi pour le récupérateur à double tube une configuration propre a lui conférer un rendement optimal. Si, en effet, on procède conformément à i'invention, on arrive d'une maniere surprenante, avec un transfert de chaleur maximal, a une température dé sortie Ta du fluide à réchauffer également tres élevee et à la perte de pression Ap relativement fablie. La relation entre les grandeurs à optlmlser et le dlametre hydraulique a révélé que la perte de pression est minimale et la température de sortie ainsi que la quantité de chaleur transmise sont maximales dans une zone dans laquelle la température de pclnte des tubes Ts est supérieure à la température de sortie Ta et que c'est avec cette relation qu'on obtient le plus grand écart. Avec l'utilisation selon l'invention, on satisfait exactement à cette condition. Le recupérateur à double tube est caractéristique pour la transmission de chaleur par rayonnement de la paroi du tube extérieur à la paroi du tube intérieur. Un matériau particulièrement bien adapté pour un tel rayonnement est le SiSiC en raison de sa grande rugosité de surface, si bien que dans le cadre de l'invention, le tube extérieur et/ou le tube intérieur peuvent avantageusement être réalisés en SîSîC (carbure de 264106? silicium infiltré de silicium) ou SSiC (carbure de silicium fritté). A l'inverse de l'acier, l'emploi de ce matériau céramique fait ressembler les parois du tube à des émetteurs de rayonnement presque "noires". Le débit volumique V du fluide à réchauffer doit avantageusement se situer entre environ 15 et 120 Nm3/h, de préférence entre environ 20 et 40 Nm3/h et en particulier à un maximum de 30 Nm3/h. Avec l'invention on propose, en outre, d'utiliser un récuperateur à double tube dont la longueur efficace fL des tubes est d'environ 1 m. De préférence, le diamètre extérieur (Di) du tube intérieur (3) peut être de l'ordre de quelques centimetres. La température Tu du fluide cédant la chaleur,donc par exemple la température du four, peut être de l'ordre de 1300 C. On obtient des conditions particulièrement favorables en utilisant un recupérateur dont le diamètre extérieur DA du tube extérieur est à peu près le double du diamètre extérieur Di du tube intérieur. La puissance calorifique transmise H ressort des exemples suivants: 1. exemple: diametre extérieur du tube intérieur: Di = 0,040 m diamètre extérieur du tube extérieur: DA = 0,080 m longueur efficace des tubes: RL = 1,0 m (a) température du four: Tu.= 1,300'C valeurs mesurees: debit volumlque: V = 15 à 55 Nm3/h puissance caloriflque transmise: H = 12 à 17 kW (b) température du four: Tu = 800'C valeurs mesurees: débit volumique: V = 15 à 40 Nm3/h puissance calorlfique transmise: H = 2,8 à 4 kW 2. exemple: dlamètre extérieur du tube lnterieur: Di = 0,040 m diamètre extérieur du tube extérleur: DA = 0,080 m longueur efficace des tubes: : RL = 2,5 m 15. (a) temperature du four: Tu = 1300 C valeurs mesurees: debit volumlque: V = 60 à 120 Nm3/h puissance calorlfique transmise: H = 30 à 37 kW (b) température du four: Tu = 800'C valeurs mesurées: débit volumiqu: V = 40 à 100 Nm3/h puissance calorifique transmlse: H = 7 à 10 kW L'utilisation d'un récupérateur céramlque 1 à double tube selon l'inventlon pour la récupération de chaleur est expliquée en prenant comme exemple la récupération de la chaleur des gaz brûles d'un four pour le préchauffage de l'air de combustion et est illustrée à l'aide de la figure unique du dessin annexé. Le récupérateur 1 est constitue par deux tubes concentriques, à savoir un tube extérieur 2 d'un diamètre extérieur DA et un tube intérieur 3 d'un dlamètre extérieur Di. Ils forment entre eux une fente annulaire 4.Le tube extérieur 2 est fermé a son extrémité supérieure (sur le dessin) et comporte à son extrémité inférieure (sur le dessin) une ouverture de sortie 5 qui débouche dans une chambre 6 de la paroi 7 du four, chambre par laquelle l'air réchauffé est évaqué à l'extérieur. LDe l'air ambiant est amené au tube lntérleur 3 par le bas (sur le dessin). Le tube intérieur 3 se termine à proxlmite en dessous de l'extrémité superieure du tube extérieur 2 et débouche à cet endroit dans ce dernier, si bien que le courant d'air est dévié dans la fente annulaire 4, déviation favorisée par l'arrondi interne de l'extrémité supérieure fermée du tube extérieur 2. Pour la transmission de la chaleur des gaz brûlés chauds du four à l'air ambiant sur la longueur efficace RL des tubes, le récupérateur 1 à double tube fait saillie dans l'enceinte du four. Le tube intérieur et/ou le tube extérieur peut/peuvent être en matériau céramique ou métallique. 264106? REVENDICATIONS 1. Récuperateur de chaleur céramique (1) comprenant deux tubes concentriques (2, 3) de differents diamètres (DA, Dx) emboîtes l'un dans l'autre, le tube extérieur (2) étant fermé à l'une de ses extrémités et le tube intérieur (3) céramique ou métallique faisant saillie dans le tube extérieur (2) et débouchant dans celui-ci juste devant l'extremlte interne du tube extérieur (2), ur. flulde à réchauffer traversant tout d'abord le tube interleur dans un sens, puis s'écoulant dans le sens contraire dans la fente annulaire comprise entre le tube interleur (3) et le tube extérieur (2), et le tube extérieur (2) plongeant dans un milieu cédant de la cnaieur, caractérise par le fait que le débit volumique (V) du fluide à réchauffer, la longueur efficace (RL) des tubes, le dlametre extérieur (DA) du tube extérieur (2), la température (Tu) du fluide cédant la chaleur et le diametre exterieur (Di, du tube intérieur (3) satisfont aux relations: V RL [23 - (DA) 2 x 11,3 (DA)] Wu Di - [0,82 * (DA)2 + 0,43 (DA)] (1,325 -Tu 2. Récupérateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube extérieur (2) et/ou le tube intérieur (3) sont réalisés en SiSiC ou en SSiC. 3. Récupérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérise par le fait que le débit volumique (V) du fluide à réchauffer se situe entre environ 15 et 120 Nm3/h, de préférence entre environ 20 et 40 Nm3/h. 4. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le débit volumique (V) du fluide à réchauffer est au maximum de 30 Nm3/h. 5. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la longueur efficace (RL) des tubes est d'environ 1 m. 6. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé par le fait que la température (Tu) du fluide cédant la chaleur est de l'ordre de 1300'C. 7. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur (Di) du tube intérieur (3) est de l'ordre de quelques centimètres. 8. Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur (DA) du tube extérieur est à peu près le double du diamètre extérieur (Di) du tube intérieur (3).