Brevet FR2669414A1 — publié le 19920522

La présente invention est relative à un procédé d'échange thermique et à un échangeur conçu pour la mise en oeuvre de ce procédé. Plus particulièrement, l'invention est relative à un tel échangeur conçu pour chauffer uniformément une veine d'un fluide gazeux par passage sur des éléments chauffants, utilisant le gaz naturel brut, manufacturé ou de récupération (par exemple biogaz issu de biomasse). Dans la suite on entendra par "élément chauffant", ou par "tube radiant" des organes du type défini ci-dessus, allongés transversalement à la direction de circulation du fluide. On connaît de la demande de brevet français No. 89 04214 du 24 mars 1989 et déposée au nom de GAZ DE FRANCE, un appareil de chauffage comprenant notamment un échangeur 7 délimitant une chambre 39 dans laquelle sont disposés des tubes radiants en U agencés transversalement à la direction générale de circulation d'un fluide à chauffer. Dans le mode de réalisation décrit à la figure 2 de cette demande de brevet, des plaques 71 équipées d'ailettes 75 constituent des chicanes allongeant le trajet du fluide à l'intérieur de la chambre 39 en favorisant son brassage, le fluide venant ainsi récupérer des calories concentrées autour des plaques. On connaît aussi des échangeurs constitués de plusieurs nappes parallèles d'éléments chauffants allongés, superposés dans l'épaisseur d'une veine d'un fluide à réchauffer. Les éléments chauffants sont disposés transversalement à la direction d'écoulement du fluide. Ils constituent ainsi des obstacles à la progression du fluide, obstacles d'ailleurs nécessaires à la mise en contact du fluide avec les éléments chauffants. Cependant, les lignes de courant du fluide, défléchies d'une nappe à l'autre par leur rencontre avec ces éléments chauffants, créent des turbulences erratiques dans l'écoulement, qui nuisent à l'uniformité du chauffage de la veine de fluide. Le rendement de l'opération de transfert thermique en est affecté défavorablement. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé d'échange thermique, et de réaliser un échangeur pour la mise en oeuvre de ce procédé, qui assurent une bonne uniformité du transfert thermique, dans toute l'épaisseur de la veine à chauffer, de manière à améliorer le rendement global de l'échange de chaleur entre le fluide et les éléments chauffants. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la présente description, avec un procédé d'échange thermique entre un fluide et un faisceau de tubes radiants cylindriques parallèles disposés en nappes superposées, dans un volume traversé par un courant du fluide sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes radiants et parallèle aux plans des nappes de tubes. Suivant l'invention, on divise le courant de fluide en plusieurs veines élémentaires indépendantes conformées pour envelopper chacune seulement les tubes radiants d'une seule nappe pour y créer des conditions d'écoulement du fluide sensiblement identiques autour de chaque tube, dans tout le volume. Suivant une autre caractéristique du procédé selon l'invention, on réinitialise les conditions d'écoulement dans chaque veine élémentaire, en amont de chacun des tubes radiants successifs d'une même nappe, en faisant passer le fluide dans un étranglement allongé, de section sensiblement constante dans tout le volume. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention fournit un échangeur thermique du type qui comprend une pluralité de tubes radiants agencés en nappes parallèles dans un caisson traversé par un courant de fluide sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes et parallèle aux plans des nappes de tubes. Suivant l'invention, cet échangeur comprend en outre des cloisons interposées chacune entre deux nappes adjacentes, deux cloisons encadrant chacune des nappes pour délimiter une veine élémentaire correspondante du fluide Avantageusement les cloisons sont ondulées, le pas des ondes des cloisons étant sensiblement égal à celui des tubes dans chaque nappe de manière que chaque cloison passe entre deux nappes à une distance sensiblement constante des éléments des deux nappes, en divisant le courant de fluide en veines élémentaires adjacentes. Les cloisons ondulées sont agencées les unes par rapport aux autres de manière à délimiter, en amont de chaque tube radiant, un étranglement allongé de section sensiblement constante dans tout le caisson, de la veine élémentaire de fluide qui passe sur le tube. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les tubes radiants sont régulièrement distribués en quinconce dans le caisson. Les cloisons sont réalisées en tôle ondulée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue perspective schématique de l'échangeur suivant la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de l'échangeur de la figure 1, et - la figure 3 est une vue de détail, en coupe axiale d'une extrémité d'un tube radiant équipant l'échangeur suivant l'invention. L'échangeur représenté à la figure 1 du dessin annexé, comprend un caisson 1 parallélépipédique ouvert sur deux faces opposées 2 et 3. Un courant de fluide gazeux à chauffer entre par la face 2 et sort par la face 3. Des tubes radiants, généralement cylindriques, sont montés transversalement dans le caisson 1 suivant n lits superposés de m éléments 41' 42' 43' 44' 45 respectivement. Dans l'échangeur représenté, n=5 et m=3. Les tubes radiants peuvent être par exemple du type décrit dans la publication 84.04 du GAZ DE FRANCE intitulée "Les tubes radiants haute température à gaz". De tels tubes radiants comportent un brûleur à gaz et sont susceptibles d'atteindre en surface une température de 1000"C. Ils présentent l'avantage de permettre le chauffage d'une enceinte à haute température sans que les gaz de combustion ne viennent se mélanger au produit chauffé dans cette enceinte. Le fluide qui circule dans le caisson 1 se réchauffe donc au contact des tubes radiants 41 à 45. Si le caisson ne contient que les tubes radiants, on conçoit que les obstacles que ceux-ci opposent à la circulation du fluide provoquent dans le caisson une macrocirculation turbulente et incontrôlée du fluide, génératrice de non-uniformités locales de la température de celui-ci. Un bon transfert thermique exigeant l'uniformité du transfert dans tout le volume délimité par l'enceinte, il apparaît que cette macrocirculation turbulente dégrade le rendement du transfert thermique. Suivant la présente invention, on homogénéise le transfert thermique dans le courant de fluide, à l'intérieur du caisson 1, en divisant ce courant en plusieurs veines élémentaires indépendantes et adjacentes conformées pour envelopper chacune seulement les tubes radiants d'une des nappes, dans des conditions d'échange thermique sensiblement uniforme dans tout le volume délimité par le caisson 1. Cette division est obtenue par interposition entre les lits adjacents de tubes radiants, de cloisons 51 à 5 6 Suivant un mode de réalisation préféré, ces cloisons sont ondulées. Sur la figure 2, les positions relatives de ces cloisons et des lits de tubes sont représentées plus précisément. Les tubes radiants à 45 étant agencés régulièrement en quinconce comme représentés sur cette figure, les cloisons ondulées 51 à utilisées présentent le même pas que les tubes et sont agencées de manière à envelopper partiellement ceux-ci, à une distance sensiblement constante de leur surface externe. Ainsi les cloisons 51 et 52 par exemple, délimitent un passage longitudinal dans le caisson 1, pour une veine élémentaire de fluide entrant par une fente 21 délimitée par ces deux tôles au niveau de la face 2 du caisson 1. La veine élémentaire de fluide passe d'abord dans un col ou étranglement transversal 7 délimité par deux extrema longitudinalement adjacents des ondulations des cloisons 51 et 52. Après avoir léché le tube radiant 41' en se divisant en deux branches, la veine élémentaire se reconstitue pour traverser un deuxième étranglement 712 géométriquement identique à l'étranglement 711. Les conditions d'écoulement du fluide dans l'étranglement 711 se reproduisent alors dans l'étranglement 712' avant que la veine ne se divise de nouveau pour passer sur l'élément chauffant suivant du même lit. On "réinitialise" ainsi, en quelque sorte, l'écoulement en amont de chaque tube radiant, sur toute la longueur du caisson, et dans chacune des veines élémentaires adjacentes délimitées par des paires de cloisons ondulées voisines.Les conditions d'écoulement étant ainsi recopiées en une pluralité d'étranglements 711 à 754 régulièrement distribués dans le volume du caisson, chaque élément de volume du fluide à chauffer rencontre dans sa traversée du caisson, une séquence de conditions d'écoulement et de chauffage identiques qui assurent l'uniformité du chauffage du fluide sortant de la face 3 du caisson, dans toute l'épaisseur du courant de fluide sortant constitué par le rassemblement en parallèle des diverses veines élémentaires. On notera aussi que, suivant l'invention, les cloisons ondulées s'opposent à une macrocirculation turbulente incontrôlée du fluide dans le caisson, génératrice de non-uniformités de chauffage. Les cloisons absorbent en outre les radiations qui n'ont pas été absorbées par le fluide. Elles créent ainsi de nouvelles surfaces d'échange thermique pour chauffer ce fluide. La surface d'échange totale est sensiblement doublée avec pour conséquence une amélioration du rendement de l'échange. On observe en outre que les cloisons enveloppent étroitement la surface de chaque tube radiant ce qui assure un bon transfert thermique, uniforme et à haut rendement, le tube étant presque enfermé entre deux cloisons qui suivent sa surface à une distance constante. La disposition en quinconce des tubes permet de chauffer les cloisons sur pratiquement toute la surface de leurs deux faces opposées. Ainsi ces cloisons sont-elles complètement utilisées à la fois au guidage et au chauffage du fluide. Diverses caractéristiques technologiques de l'échangeur suivant l'invention apparaissent sur les figures 1 et 2. Sur la figure 1, on voit que les faces d'entrée 2 et de sortie 3 du caisson sont garnies de brides périphériques 8 et 9 respectivement. Sur la figure 2, apparaissent des plaques 10, 11 qui enveloppent la surface latérale du caisson 1, ces plaques étant constituées en matériau propre à isoler thermiquement ce caisson. Des organes de manutention 12 et de support 13 peuvent être incorporés au caisson. Sur la figure 1 apparaissent aussi, en travers de la face d'entrée 2 du caisson, des entretoises encochées 14 propres à soutenir des bords des cloisons ondulées, en tôle par exemple, qui sont installées dans le caisson. Le caisson lui-même peut être réalisé en tôlerie. La figure 3 représente en coupe axiale les moyens utilisés alors pour assurer le support des tôles et des tubes radiants sur la face latérale 22' du caisson qui est caché sur la figure 1 et qui est opposé à la face 22 visible sur cette figure. Cette face 22 est d'ailleurs percée d'ouvertures disposées en quinconce pour l'introduction des tubes radiants dans le caisson, ces tubes étant supportés dans ces ouvertures, au niveau de la face 22. La face 22 étant elle aussi constituée par une tôle plane, les bords adjacents de deux tôles ondulées, 51 et 52 par exemple, sont supportés par des profilés en U (IPN) 15 et 16 respectivement, eux-mêmes soudés sur la tôle 14. Lorsque les tubes radiants sont du type en doigt de gant à récupération, tels que représentés à la figure 8 du document GAZ DE FRANCE précité, ces tubes présentent à l'extrémité opposée à celle qui est portée par la face 22 du caisson, un téton de support 17. Pour éviter un porteà-faux du tube radiant dans le caisson 1, on soude un anneau 18 sur la face 22 du caisson et on engage le téton 17 du tube radiant 41 dans cet anneau. On remarquera, sur le schéma de la figure 3, les ajustements larges des éléments de support par rapport aux organes supportés, tubes radiants ou tôles ondulées. De fortes dilatations thermiques sont ainsi acceptables alors que, tous ces moyens étant intérieurs au caisson 1, les jeux ainsi établis sont sans inconvénient du fait de l'absence de gradient de pression au niveau de ces jeux. Des moyens d'espacement 19,20 sont prévus entre les tôles pour empêcher que celles-ci ne bougent sensiblement les unes par rapport aux autres, en particulier sous l'effet de dilatation thermique. Ces moyens d'espacement peuvent être constitués par un rivet 19 passant dans une bague d'espacement 20, par exemple. Tout autre moyen convenable, par exemple, peut être substitué à ces moyens, au choix de l'homme de métier. Des ailettes 21 peuvent servir à écarter les tôles ondulées des éléments chauffants. On remarquera que le caisson de l'échangeur selon l'invention est propre à absorber sans difficulté les inévitables dilatations thermiques subies. Outre les jeux des moyens de support des tubes radiants et des tôles, il est clair que la forme ondulée de ces tôles qui séparent les veines élémentaires de fluide assure une excellente absorption de ces dilatations. On a pu ainsi réaliser un échangeur présentant les caractéristiques et performances suivantes, données seulement à titre d'exemple - volume intérieur du caisson : 3,2 m3 - nombre de tubes radiants : 15 - rendement sur PCI : 72 % - puissance thermique : 550 kw - débit d'air traité : 16.000 kg/heure - température air entrant : 1800C - température air sortant : 300"C Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En effet il est clair que l'échangeur suivant l'invention pourrait être adapté au refroidissement d'un courant de fluide plutôt qu'a son chauffage. La forme des tôles utilisées pour constituer les cloisons séparatrices isolant les diverses veines élémentaires, pourrait différer de celle représentée à la figure 2. Ainsi on pourrait utiliser des cloisons réalisées en tôle pliée suivant des créneaux trapézoïdaux, si des considérations économiques, par exemple, militent en faveur d'une telle réalisation. De même on pourrait moduler l'alimentation des tubes radiants, par exemple en fonction de la position du tube dans le caisson, de manière à améliorer encore la régularité de l'échange thermique. REVENDICATIONS 1. Procédé d'échange thermique entre un fluide et un faisceau de tubes radiants cylindriques parallèles disposés en nappes superposées, dans un volume traversé par un courant du fluide sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes radiants et parallèle aux plans des nappes de tubes, caractérisé en ce qu'on divise le courant de fluide en plusieurs veines élémentaires indépendantes et identiquement conformées enveloppant chacune seulement les tubes radiants d'une seule nappe pour y créer des conditions d'écoulement du fluide sensiblement identiques autour de chaque tube, dans tout le volume. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réinitialise les conditions d'écoulement dans chaque veine élémentaire, en amont de chacun des tubes radiants successifs d'une même nappe, en faisant passer le fluide dans un étranglement allongé de section sensiblement constante dans tout le volume. 3. Echangeur thermique pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, du type qui comprend une pluralité de tubes radiants à à 4 ), agencés en nappes parallèles dans un caisson (1) traversé par un courant de fluide sensiblement perpendiculaire aux axes des tubes et parallèle aux plans des nappes de tubes, caractérisé en ce qu'il comprend des cloisons (51 à 5 interposées chacune entre deux nappes adjacentes, deux cloisons encadrant chacune des nappes pour délimiter une veine élémentaire correspondante de fluide. 4. Echangeur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les cloisons sont ondulées, le pas des ondes des cloisons étant sensiblement égal à celui des éléments dans chaque nappe de manière que chaque cloison passe entre deux nappes à une distance sensiblement constante des tubes des deux nappes. 5. Echangeur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les cloisons ondulées (51 à 5 sont agencées les unes par rapport aux autres de manière à délimiter, en amont de chaque tube radiant, un étranglement allongé (711 à 754) de section sensiblement constante dans tout le caisson, de la veine élémentaire de fluide qui passe sur le tube. 6. Echangeur conforme à l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les tubes radiants (41 à 45) sont régulièrement distribués en quinconce dans le caisson. 7. Echangeur conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les cloisons à à 56) sont réalisées en tôle ondulée. 8. Echangeur conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les cloisons sont réalisées en tôle pliée en créneaux trapézoïdaux. 9. Echangeur conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que des moyens d'espacement (19, 20 ; 21) sont prévus entre les cloisons entre elles et entre les cloisons et les tubes radiants pour maintenir les dimensions transversales des veines élémentaires.