Brevet FR2664034A1 — publié le 19920103

"Récupérateur de chaleur" L'invention concerne un récupérateur de chaleur en céramique comportant deux tubes concentriques de diamètre différent montés l'un dans l'autre, le tube extérieur en céramique étant fermé à l'une de ses extrémités, et le tube intérieur en céramique ou en métal pénétrant dans le tube extérieur et débouchant dans celui-ci peu avant l'extrémité intérieure du tube extérieur, un fluide à réchauffer circu- lant d'abord dans un sens dans le tube intérieur, puis dans le sens opposé dans l'espace annulaire entre le tube inté- rieur et le tube extérieur, et le tube extérieur plongeant dans un fluide cédant de la chaleur. On connait par le document DE-PS 2808213 un récupérateur de chaleur à double tube de ce type pour des fours à coke à récupération Le récupérateur se compose de deux tubes métalliques concentriques et fait saillie dans des cellules de récupération du four à coke à récupération pour l'échange de chaleur entre l'air de combustion et les gaz brûlés Le tube intérieur communique avec une entrée d'air de combustion et le tube extérieur avec une sortie d'air de combustion Les récupérateurs de chaleur en métal de ce type sont limités en ce qui concerne leur température d'utilisa- tion C'est pourquoi on a proposé d'utiliser des récupéra- teurs de chaleur en céramique pour les fluides chauds et corrosifs (se reporter à Hd T-Fachveranstaltung "Wârmeaustaus- cher im industriellen Einsatzbereich", Essen, 18 et 19 Octobre 1988 exposé XXIII/BL/HK/VORT avec la littérature citée). L'objet de la présente invention est de proposer un récupérateur en céramique du type indiqué en introduction, qui permette d'obtenir un transfert de chaleur aussi grand que possible, des températures de sortie aussi élevées que possible et une perte de charge aussi faible que possible, de sorte qu'un tel récupérateur de chaleur puisse être utilisé de manière économique pour la récupération de chaleur industrielle, comme par exemple sur les gaz brûlés pour réchauffer l'air de combustion. Le problème est résolu selon l'invention par le fait que le tube extérieur 2 en céramique se compose d'un matériau à base de Si Sic ou de S Si C et pour un diamètre extérieur DA du tube extérieur compris entre 0,06 et 0,1 m, une longueur de tube RL efficace comprise entre 1 et 2,5 m et une température du fluide cédant de la chaleur Tu comprise entre 8000 C et 16000 C, le diamètre extérieur DI du tube intérieur représente de 0,9 à 1,1 fois ( 0,82 DA + 0,43 DJ) ( 1,325 T,/4000) et le débit-masse V du fluide à réchauffer représente 0,9 à 1,1 fois RL EU ( 23 2 + 11,3 DJ. On utilisera ici les valeurs numériques DA lml, Tu lOCl et RL lml L'unité pour le diamètre extérieur DI du tube intérieur est lml, et pour le débit-masse V du fluide à réchauffer lm 3/hl aux conditions normales. Des études ont montré qu'on obtenait ainsi une configuration de fonctionnement optimale pour un récupérateur de chaleur à double tube En effet, en procédant conformément à l'invention, de manière surprenante, le transfert de chaleur est maximal et la température de sortie du fluide à réchauffer est très élevée, et la perte de charge relative- ment faible La relation de dépendance entre les grandeurs à optimiser et le diamètre hydraulique a montré que la perte de charge est minimale et que la température de sortie ainsi que la quantité de chaleur transmise sont maximales à l'intérieur d'une zone dans laquelle la température de pointe du tube (température du fluide à réchauffer à sa sortie du tube intérieur) est supérieure à la température de sortie, et que l'on obtient le plus grand écart avec cette relation De manière surprenante, on satisfait exactement à cette condi- tion avec l'application selon l'invention. Le récupérateur de chaleur à double tube est caractéristique pour le transfert de chaleur par rayonnement de la paroi du tube extérieur vers la paroi du tube inté- rieur Le matériau Si Si C s'est révélé particulièrement bien adapté pour une émission de rayonnement importante en raison de sa rugosité de surface élevée, de sorte que dans le cadre de l'invention, le tube extérieur et le tube intérieur peuvent avantageusement être réalisés en Si Si C (carbure de silicium infiltré de silicium) ou en S Si C (carbure de silicium fritté) Les tubes ont une épaisseur de paroi comprise entre 2 et 8 mm Grâce à l'utilisation du matériau céramique, les parois du tube se comportent pratiquement comme des radiateurs noirs, contrairement à ce qui est le cas avec l'acier. Le débit-masse V du fluide à réchauffer doit être avantageusement compris entre environ 15 et 120 m 3/h, de préférence entre environ 20 et 40 m 3/h aux conditions normales. Le tube extérieur et le tube intérieur peuvent être réalisés en Si Si C ou en S Si C. Exemples: 1 Pour un tube extérieur de diamètre extérieur DA = 0,06 m et une température du fluide cédant de la chaleur Tu = 800 'C, on a pour le tube intérieur un diamètre extérieur Dl = 0,029 à 0,036 m. Pour une longueur de tube efficace RL = 1 m, le débit-masse du fluide à réchauffer est V = 19,4 à 23,7 m 3/h aux conditions normales. 2 Pour un tube extérieur de diamètre extérieur D& = 0,08 m et une température du fluide cédant de la chaleur Tu = 12000 C, on a pour le tube intérieur un diamètre extérieur DI = 0,034 à 0,042 m. Pour une longueur de tube efficace RL = 2,3 m, le débit- masse du fluide à réchauffer est V = 75,4 à 92,1 m 3/h aux conditions normales. 3 Pour un tube extérieur de diamètre extérieur DA = 0,1 m et une température du fluide cédant de la chaleur Tu = 14000 C, on a pour le tube intérieur un diamètre extérieur Dl = 0,045 à 0,055 m. Pour une longueur de tube efficace RL = 1,5 m, le débit-masse du fluide à réchauffer est V = 68,7 à 84,0 m 3/h aux conditions normales. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation en se référant au dessin. Celui-ci représente un récupérateur de chaleur 1 à double tube en céramique pour la récupération de chaleur par exemple sur les gaz brûlés d'un four pour le réchauffage de l'air de combustion. Le récupérateur de chaleur 1 se compose de deux tubes concentriques, à savoir le tube extérieur 2 de diamètre extérieur DA et un tube intérieur 3 de diamètre extérieur DI. Ceux-ci forment entre eux un espace annulaire 4 Le tube extérieur 2 est fermé à 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 du four 7, par laquelle l'air réchauffé est évacué vers l'extérieur De l'air ambiant est amené par le bas (sur le dessin) au tube intérieur 3 Le tube intérieur 3 se termine peu avant l'extrémité intérieure du tube extérieur 2 et débouche dans celui-ci, de manière telle que le flux d'air soit dirigé vers l'espace annulaire 4, la déviation étant favorisée par l'arrondi intérieur de l'extré- mité fermée du tube extérieur 2 Le récupérateur de chaleur à double tube 1 fait saillie de la longueur de tube efficace RL dans l'enceinte du four pour le transfert de chaleur des gaz brûlés chauds du four à l'air ambiant Le tube intérieur peut être réalisé en matériau céramique ou en métal. REVENDICATIONS 1 Récupérateur de chaleur en céramique ( 1) comportant deux tubes ( 2, 3) concentriques de diamètre différent (DA, DI) montés l'un dans l'autre, le tube extérieur en céramique ( 2) étant fermé à l'une de ses extrémités, et le tube intérieur ( 3) en céramique ou en métal pénétrant dans le tube extérieur ( 2) et débouchant dans celui-ci peu avant l'extrémité intérieure du tube extérieur ( 2), un fluide à réchauffer circulant d'abord dans un sens dans le tube intérieur ( 3) puis dans le sens opposé dans l'espace annu- laire ( 4) entre le tube intérieur ( 3) et le tube extérieur ( 2), et le tube extérieur ( 2) plongeant dans un milieu cédant de la chaleur, caractérisé en ce que le tube extérieur en céramique ( 2) est réalisé en un matériau à base de Si Si C-ou S Si C et pour un diamètre extérieur (DA) du tube extérieur compris entre 0,06 et 0,1 m, une longueur de tube efficace (RL) comprise entre 1 et 2,5 m et une température du fluide cédant de la chaleur (Tu) comprise entre 8000 C et 16000 C, le diamètre extérieur (DI) du tube intérieur représente 0,9 à 1,1 fois ( 0,82 DA 2 + 0,43 Dj) ( 1,325 TJ/4000) et le débit- masse (V) du fluide à réchauffer représente 0,9 à 1,1 fois RL { Tu ( 23 D> 2 + 11,3 Dj. 2 Récupérateur en céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit-masse (V) du fluide à réchauffer est compris entre 15 et 120 m 3/h, de préférence entre 20 et 40 m 3/h aux conditions normales. 3 Récupérateur en céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube extérieur ( 2) et le tube intérieur ( 3) sont réalisés en un matériau à base de Si Si C ou ssic.