Brevet FR2664784A1 — publié le 19920117

L'invention concerne l'amélioration d'un dispositif de réchauffage de fluides a partir de résistances tubulaires chauffées par effet Joule., Actuellement le chauffage électrique tend a étendre son champ d'application dans l'industrie parce que l'électricité envient une source d'énergie compétitive par rapport au > ' autres sources d'énergie et qu'elle est dans certains cas plus performante. Il a été développé des résistances electrîques a surface rayonnante cylindrique; soit que ce rayonnement se fasse vers l'extérieur de la surface cylindrique, soit qu'il se fasse vers l'intérieur.Plus particulièrement il s'est développé des résistances électriques, qui se présentent sous forme de tubes cylindriques de révolution, et dont la partie active est le tube lui-même qui est dans un matériau homogène directement traversé par le courant électrique; une manière de réaliser ce tube est d'utiliser un métal ou un alliage métallique, connu notamment pour ses caractéristiques d'homogénéité, de bonne tenue a la température; ce peut entre par exemple de l'"Inconel 601" qui se présente sous forme de tube étiré sans soudure ou sous forme de tube formé d'une tôle roulée soudée longitudinalement; l'avantage d'un tel dispositif est d'avoir une surface homogène en température grâce notamment la la bonne répartition des lignes de courant; comme c'est la masse du tube elle-même qui génère la chaleur, cette dernière est disponible tant du coté interne que du cOté externe; or on constate que pour de multiples raisons et notamment de simplification de la mise en oeuvre, on n'utilise qu une seule des deux surfaces disponibles comme on le fait avec les résistances cylindriques traditionnelles; lorsqu'on n'utilise que la surface rayonnallte interne du tube ces derniers sont emmanchés a leurs extrémités dans des plaques en matériau réfractaire à l'aide de manchons cylindriques d épaisseur plus forte pour diminuer l'autoéchauffement de cette zone; les raccordements électriques sont fixés és sur ces manchons; les tubes sont généralement raccordés électriquement en série et il s sont ainsi reliés les uns aux autres par des barres de forte section pour éviter leur échauffement excessif; on se sert du tube commue si la chaleur n'était communiquée que par conduction a travers la paroi comme c'était le cas, par exemple pour les chaudières a vapeur a faisceaux de tube; on s'est contenté d remplacer par exemple les tubes chauffés par vapeur ou au ga par ces tubes chauffés par effet joule sans apparemment se poser la question de l'emploi optimum de ia surface disponible qui est sensiblement deux fois plus importante.Il est évident que lorsqu'on veut réchauffer un corps solide, il ne peut se trouver a la fois a l'intérieur et a l'extérieur du tube; c'est le cas du chauffage d'un four a soie par exemple; mais lorsqu'il s'agit, par exemple, r de réchauffer un fluide, on peut le faire aisément circuler de part et d'autre de la paroi; ce peut être la marrie chose pour des produits de petite dimension par rapport a celles du tube. L'objet de la présente invention est d permettre l'utilisation optimum des surfaces de transfert de la chaleur. La Fig. 1 représente une partie du réchauffeur de fluides selon l'invention. La Fig.2 représente un tube de réchauffage de fluide combiné avec des briques réfractaires externes et internes permettant de déterminer des espaces annulaires de transfert d'énergie; les tubes actifs et les zones d'appui sont représentées en éclaté pour montrer la brique réfractaire interne au tube actif. La Fig.3 représente la coupe, suivant le plan "A" Fig.2, d'un assemblage de tubes et de briques réfractaires formant des espaces annulaires internes et externes aux tubes; les éléments situes en arrière de la coupe ne sont pas représentés pour ne pas compliquer le dessin. La Fig.4 représente la coupe, suivant le plan "B" Fig.2, de i' assemblage de tubes et de briques précédent a hauteur des points d'appui des briques internes et externes sur les zones tubulaires de plus forte épaisseur; les éléments situés en arrière de la coupe ne sont pas représentés pour ne pas compliquer le dessin. Pour simplifier les explications nous prendrons l'exemple du chauffage d'un fluide; le réchauffeur de fluides est constitué de tubes Le débit de fluide se partage entre l'intérieur (9) et l'extérieur (10) des tubes (=1); suivant le niveau des terni ratures recherché et les caractéristiques du fluide a réchauffer, le rapport de l'énergie absorbée par rayonnement et par convection est très variable; la configuration géométrique des surfaces émettrices doit en tenir compte. Si le fluide absorbe bien les infra-rouges, il faut rechercl-ler a obtenir une quantité d'énergie, en chaque point de l'espace balaye par le fluide a réchauffer, la plus constante possible afin d'obtenir une température relativement homogène a la sortie. L'énergie absorbée par le fluide passant à l'intérieur (9) des tubes (1) sert de référence; on règle alors l'espace (10) entre les tubes (1) de manière a ce que l'énergie absorbée à l'extérieur (10) des tubes (1 > J par unité de masse de fluide a réchauffer, soit la me-me, compte tenu du débit de fluide. On peut jouer sur deu paramètres principaux; d'une part la densité moyenne d'énergie rayonnée qui augmente lorsqu'on rapproche les tubes (i) les uns des autres, et le débit de fluide à travers l'espace (10) considéré; on peut ainsi entre amené a créer des pertes de charges destinées a limiter le débit lorsque la densité d'énergie rayonnante n'est pas suffisante.Il est indispensable d'être en mesure d'absorber la dilatation des tubes (1) lors de leur échauffement et de leur refroidissement; notamment il est indispensable de laisser une de leurs extrémités (11) libre de se déplacer longitudinalement, la dilatation des barres (4) de liaison étant absorbée, par exemple, par coulissement des barres d'alimentation (5), , qui servent aussi de barres de maintien de la nappe (8), J dans les fourreaux ménagés dans les parois (7) qui les fait communiquer avec l'extérieur du réchauffeur de fluide.Dans le cas où les tubes (1) sont suspendus verticalement et reliés en série ces conditions sont sensiblement remplies. Toutefois rien n'empêche de mettre des renf o rts introduisant inévitablement des pertes de charge supplémentaires dont il faudra tenir compte notamment on peut introduire des éléments de maintien a l'aide de briques réfractaires (12) Fig.2, plus particulièrement lorsque les tubes (13) sont horizontaux et qu'il y a un risque de déformation de la zone active (14). Si la capacité d'absorption du fluide par rayonnement est faible, on cherche alors a favoriser les transferts par convection; on cherche a augmenter les turbulences ainsi que la surface de transfert de chaleur; une manière de procéder consiste a placer, par exemple entre les tubes (15) Fig .3, des briques (16) de matériau réfractaire dont le röle est de capter l'énergie rayonnée pour augmenter sa température de surface et permettre le transfert de chaleur par convection vers le fluide; pour cela, la forme de ces briques (16) est étudiée, par exemple, pour délimiter des espaces tubulaires (17) dont la surface interne (18) est celle du tube actif (15). Il est nécessaire de positionner avec une bonne précision les briques (16) réfractaires par rapport aux tubes actifs (15); il y a des zones de contact (19) Fig.4 entre les tubes (20) et les briquets (16) qui servent de points d'appui et de positionnement des tubes (20) les uns par rapport aux autres; dans ces zones d'appui le passage du fluide n'est plus annulaire, mais comporte des points de passage (21) préférentiels permettant de faire communiquer deux zones annulaires (17) Fig.3 successives; puisque les conditions de transfert de la chaleur sont bouleversées dans ces zones (22) Fig.2, il y a un risque de surchauffe qui peut provoquer une détérioration de la résistance tubulaire (14); une manière de résoudre ce problème est de créer au niveau des point d'appui (22) des zones (21) de plus forte section de même nature que les manchons d'extrémité (23); dans ces conditions la production de chaleur y est beaucoup plus faible que dans la zone active (14); la chaleur y arrive par conduction a partir de zones (14) plus chaudes mais refroidies par le fluide et il n'y a plus de risque; on peut ainsi créer un assemblage de manchons (21) de plus forte épaisseur soudés au extrémités de longueurs de tube actifs (14); dans le cas le plus simple, il y a, par exemple, un appui ( des briques (12) t chaque extrémité pour obtenir un bon centrage des tubes actifs (14);comme il est important de garder un bon centrage pour éviter les surchauffes locales; les briques (12) sont modulaires pour être susceptibles de se déplacer légèrement, latéralement et éventuellement longitudinaiement en fonction de la dilatation des barres de liaison (24), tandis que les tubes (13) eux mimes peuvent se dilater librement parce qu'ils ne sont reliés aux parois fies (7) Fig. 1 que par une seule de leurs extrémités. L'épaisseur (3) des manchons (2) peut varier suivant leur position dans la nappe et en fonction de la température d fonctionnement. Le type d'assemblage que nous venons de décrire cöté extérieur du te (15) Fig.3 peut aussi bien titre réalisé du cté interne du tube (15) avec une brique réfractaire cylindrique (27) de manière a créer, par exemple, un espace annulaire (25) dont la paroi extérieure (26) est celle du tube actif (15); les points d'appui 28) Fig.4 des briques réfractaires sur le tube (20), qui permettent leur centrage peuvent astre situés au droit de manchons (21) Fig.2 de forte épaisseur. Nous avons pris comme exemple dans notre description la création d'un espace annulaire d'échange; mais comme nous l'avons précisé précédemment il est possible selon l'invention de créer des briques réfractaires dont la surface délimitant les espaces f17) et ou (25) n'est plus cylindrique mais , par exemple, est en forme d'étoile pour augmenter encore la surface d'échange ou avec des pointes en quinconce ou alignées, cette liste n'étant pas limitative; l'objectif étant d'optimiser les conditions de transfert de la chaleur des parois vers le fluide tout en évitant les points chauds dont le risque d'apparition détermine la marge de manoeuvre; l'apparition de points chauds pouvant entraîner une détérioration rapide des iésistances. Comme les tubes (13) sont minces dans leur zone active (14), on peut considérer en première approximation que la température en un point de la surface interne est la même que celle du point correspondant de la surface externe; le couple de points ainsi défini est situés sur une perpendiculaire commune au parois interne et externe; en contre partie la température peut varier d'une zone a l'antre du tube en fonction du niveau d'absorption du fluide dans les zones considérées. Les zones de forte épaisseur (21) ne générant que peu d'énergie prennent une température voisine de celle du tube actif (14) situé dans leur voisinage. Dans le cas d'emploi de nappes horizontales de tubes (.3), les briques (12) servent aussi a soutenir les tubes actifs(14) pour éviter leur déformation par fluage, et la répartition des points d'appui (22) est fonction de la température nominale de fonctionnement. REVENDICATIONS 1-Rêchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Jouie, caractérisé en ce qu'il est constitué de tubes (1 > sensiblement parallèles entre eu qui déterminent de espaces internes (9) | et externes (10) qui servent simultanément de zone de transfert d'énergie. 2-Réchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Jouie, suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que des triques réfractaires (16) dont la surface est chauffée par rayonnement de manière a augmenter la surface d'échange, forment avec la surface extérieure (18) du tube actif (15) un espace (17) favorisant le transfert de chaleur par convection. 3-Réchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Jouie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des briques réfractaires (27) dont la surface est chauffée par rayonnement de manière a augmenter a surface d'échange, forment avec la surface intérieure (26) du tube actif (15) un espace (25) favorisant le transfert de chaleur par convection. 4-Réchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Jouie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes 2 et 3, caractérisé en ce que les briques réfractaires peuvent présenter en délimitation des espaces (17) ou (25) des formes de surfaces très variables en fonction des résultat a atteindre, la marge de manoeuvre étant seulement limitée par le risque a'apparition de points chauds. 5-Réchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Joule, suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les tubes (13) sont formés de zones actives (14) aux extrémités des quelles sont soudées des zones de liaisons (21) ou (23), , qui sont de plus forte épaisseur, t qui servent respectivement appui (22) a des briques réfractaires (12) ou de fixation des barres (24) de liaison électriques. 6-Réchauffeur de fluides, constitué de tubes cylindriques chauffés par effet Jouie, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (1) comportent a leurs extrémités des manchons (2) de forte épaisseur (3) sur lesquelles viennent se fixer des barres de liaison électriques, qui peuvent etre profilées, qui peuvent servir de support pour les tubes et qui permettent de former des nappes (8) de tubes (1) sensiblement parallèles, de forme variable.