Brevet FR2731509A1 — publié le 19960913

La présente invention concerne un perfectionnement aux échangeurs de chaleur de type tubulaire, destinés à être utilisés, de façon appropriée, pour récupérer la chaleur de gaz d'échappement à haute température produits dans des fours de chauffage, des fours d'incinération ou analogues, en particulier des échangeurs de chaleur du type à tubes en forme de U véhiculant la chaleur. On va expliquer à titre d'exemple un échangeur de chaleur classique du type à tubes en forme de U véhiculant la chaleur. Comme cela est représenté sur la figure 4, annexée à la présente demande, une enceinte cylindrique 1 comporte, à une extrémité, une ouverture 11 d'entrée d'un gaz véhiculant la chaleur et, à son autre extrémité, une ouverture 12 de sortie du gaz véhiculant la chaleur. Un distributeur 21 et un collecteur 22 sont disposés côte-à-côte sur une paroi périphérique de l'enceinte 1, du côté de l'ouverture d'entrée 11. Le distributeur 21 agit de manière à distribuer un gaz recevant la chaleur à un certain nombre de tubes en forme de U 2 véhiculant la chaleur, et le collecteur 22 agit de manière à recueillir et évacuer le gaz recevant la chaleur, qui a reçu cette chaleur. Les deux extrémités de chacun des tubes en forme de U 2 véhiculant la chaleur sont fixées à la paroi périphérique de l'enceinte cylindrique 1, et sont raccordées respectivement au distributeur 21 et au collecteur 22. Deux parties rectilignes 2a et 2b de chaque tube 2 véhiculant la chaleur, qui s'étendent à partir d'une partie coudée de ce tube, sont disposées parallèlement à la direction longitudinale de l'enceinte cylindrique, c'est-à-dire parallèlement à la direction de circulation du gaz véhiculant la chaleur. Avec un agencement de cette sorte, plusieurs tubes 2 véhiculant la chaleur sont disposés radialement à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1. Étant donné que les deux parties rectilignes repliées 2a et 2b du tube 2 véhiculant la chaleur sont disposées parallèlement à la direction de cir- culation du gaz véhiculant la chaleur à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, l'échangeur de chaleur mentionné précédemment présente une bonne durabilité vis-à-vis de la dilatation thermique et de la contraction thermique, qui se produisent de façon répétée pendant le fonctionnement. D'autre part, il est nécessaire de prolonger les tubes 2 véhiculant la chaleur et l'enceinte cylindrique 1 de manière à accroître le rendement de l'échange thermique. Il se pose alors le problème consistant en ce que le coût de production augmente et que la durabilité des tubes 2 véhiculant la chaleur diminue. En outre, les 2 2731509 contre-mesures indiquées précédemment s'accordent difficilement avec un besoin actuel de conserver un caractère compact à l'échangeur de chaleur. La présente invention a été mise au point pour résoudre les problèmes mentionnés précédemment et a pour objet de fournir un échangeur de chaleur qui permette d'améliorer le rendement de l'échange thermique et puisse être rendu plus compact. Les problèmes mentionnés précédemment sont résolus au moyen d'un échangeur de chaleur du type indiqué, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte cylindrique, qu'un gaz véhiculant la chaleur peut traverser d'une io extrémité à l'autre, un certain nombre de tubes véhiculant de la chaleur, disposés à l'intérieur de l'enceinte cylindrique, parallèlement à la direction longitudinale de cette enceinte cylindrique, et des moyens de tourbillonnement pour produire un écoulement tourbillonnaire dans le gaz véhiculant la chaleur circulant à l'intérieur de l'enceinte. Conformément à la présente invention, étant donné que l'échangeur de chaleur est équipé des moyens de tourbillonnement servant à produire l'écoulement tourbillonnaire du gaz véhiculant la chaleur circulant dans l'enceinte cylindrique, le gaz véhiculant la chaleur circule sous la forme de l'écoulement tourbillonnaire dans une direction allant de l'ouverture d'entrée à l'ouverture de sortie à l'intérieur de l'enceinte cylindrique. Par conséquent, le gaz véhiculant la chaleur vient en contact avec un certain nombre des tubes véhiculant la chaleur, qui sont disposés parallèlement à la direction longitudinale de l'enceinte cylindrique, et ce pendant un intervalle de temps fortement prolongé, de sorte que le rendement de l'échange thermique peut être amélioré. En outre, même si le gaz véhiculant la chaleur contient une grande quantité de poussière, une quantité moins importante de poussière s'accumule sur les tubes véhiculant de la chaleur grâce à l'écoulement tourbillonnaire, de sorte que le rendement de l'échange thermique peut difficilement être altéré. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une vue partiellement arrachée servant à illustrer le concept d'une première forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon la présente invention; -la figure 2 représente une vue partiellement arrachée servant à illustrer le concept d'une seconde forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon la présente invention; - la figure 3 représente une vue partiellement arrachée servant à illustrer le concept d'une troisième forme de réalisation de l'échangeur de chaleur selon la présente invention; et - la figure 4, dont il a déjà été fait mention, représente une vue partiellement arrachée servant à illustrer le concept d'un échangeur de chaleur classique. On va expliquer la présente invention d'une manière plus détaillée en référence aux formes de réalisation représentées sur les figures 1 à 3. Tout d'abord, on va décrire, à titre d'exemple, l'échangeur de chaleur du type à tubes en forme de U véhiculant la chaleur, qui est représenté sur la figure 1. Une enceinte cylindrique 1 comporte, à une extrémité, une ouverture d'entrée 11, dans laquelle pénètre un gaz véhiculant la chaleur et, à son autre extrémité, une ouverture de sortie 12, par laquelle le gaz véhiculant la chaleur est évacué. Au niveau d'une paroi périphérique de l'enceinte 1, du côté de l'ouverture d'entrée 11, sont prévus, côte-à-côte, un distributeur 21 et un collecteur 22. Le distributeur 21 agit de manière à distribuer un gaz recevant la chaleur à un certain nombre de tubes en forme de U 2 véhiculant la chaleur, et le collecteur 22 agit de manière à recueillir et évacuer le gaz recevant de la chaleur, qui a reçu la chaleur. Les deux extrémités de chacun des tubes en forme de U 2 véhiculant la chaleur sont fixées à la paroi péri- phérique de l'enceinte cylindrique 1 et sont raccordées respectivement au distributeur 21 et au collecteur 22. Deux parties rectilignes 2a et 2b de chaque tube 2 véhiculant de la chaleur, qui s'étendent à partir d'une partie coudée de ce tube, sont disposées parallèlement à la direction longitudinale de l'enceinte cylindrique, c'est-à-dire parallèlement à la direction d'écoulement du gaz véhiculant la chaleur. Avec un tel agencement, plusieurs des tubes 2 véhiculant de la chaleur sont disposés radialement à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, entre l'axe et la paroi périphérique intérieure de l'enceinte. Dans cette forme de réalisation, l'enceinte cylindrique 1 est entourée par une chemise 23, et une extrémité de la chemise est raccordée au distributeur 21. Le gaz recevant la chaleur est introduit dans l'autre extrémité de la chemise 23 et est envoyé au distributeur 21, tout en étant préchauffé par l'enceinte cylindrique 1. Le gaz 4 2731509 recevant la chaleur peut être envoyé directement au distributeur 21, si cela est nécessaire. La structure indiquée ci-dessus est identique à celle de l'échangeur de chaleur classique. Dans la première forme de réalisation de la présente invention, telle que représentée sur la figure 1, une combinaison d'une tige colonnaire 3 s'étendant le long de l'axe de l'enceinte cylindrique 1 et d'une ailette hélicoïdale 31 faisant saillie radialement vers l'extérieur autour de la tige colonnaire 3 et s'étendant selon une disposition hélicoïdale dans une direction allant de l'ouverture d'entrée 11 vers l'ouverture de sortie 12, est prévue en tant que moyens de tourbillonnement pour produire un écoulement tourbillonnaire dans le gaz véhiculant la chaleur pénétrant dans l'enceinte cylindrique (sur la figure 1, on n'a pas représenté la partie inférieure de la tige colonnaire 3). Dans ce cas, il est préférable qu'une ailette hélicoïdale 32 fasse saillie et s'étende radialement vers l'intérieur sur la paroi périphérique intérieure de l'enceinte cylindrique 1 de sorte que la direction de l'enroulement en hélice de l'ailette 32 peut être la même que celle de l'ailette 31 disposée autour de la tige colonnaire 3. On n'a également pas représenté la partie supérieure de l'ailette 32. Etant donné que les moyens de tourbillonnement indiqués précédemment sont prévus dans cette forme de réalisation, le gaz véhiculant la chaleur pénétrant dans l'enceinte 1 par l'ouverture d'entrée 11 rencontre l'ailette hélicoïdale 31 qui est en saillie sur la tige colonnaire 3, de sorte que l'écoulement est converti en un courant tourbillonnaire allant dans la direction de l'hélice, en ayant sa direction modifiée, et est envoyé à l'ouverture de sortie 12. L'écoulement tourbillonnaire possède une composante circulant le long de la paroi périphérique intérieure de l'enceinte 1. C'est pourquoi, lorsque l'ailette 32 est formée en saillie, sous une configuration hélicoïdale, sur la paroi périphérique intérieure de l'enceinte cylindrique 1, l'écoulement est refoulé par l'ailette 32 de sorte que l'on peut obtenir un écoulement tourbillonnaire plus préférentiel. La présente invention peut être réalisée dans la seconde forme de réalisation représentée sur la figure 2. Une enceinte cylindrique de courte longueur 4 est raccordée continûment à la partie supérieure de l'ouverture d'entrée 11 de l'enceinte cylindrique 1, de manière à constituer une partie d'un passage d'entrée pour le gaz véhiculant la chaleur. A l'intérieur de l'enceinte 2731509 cylindrique de courte longueur 4, sont disposées deux plaques déflectrices 41, 42 possédant toutes les deux une forme semi-elliptique et inclinées chacune par rapport à la direction d'écoulement du gaz véhiculant la chaleur, par pivotement des plaques déflectrices dans des sens opposés autour de leurs petits axes respectifs. Dans cette forme de réalisation, le gaz véhiculant la chaleur pénétrant dans l'enceinte cylindrique de courte longueur 4 rencontre les plaques déflectrices semi- elliptiques 41, 42 pivotées dans des sens opposés autour de leurs petits axes respectifs, de sorte que l'écoulement peut être converti en un courant tourbillonnaire, en ayant sa direction de circulation modifiée, puis peut être introduit à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1. Par conséquent, on peut obtenir les mêmes résultats que dans la première forme de réalisation. Dans la présente forme de réalisation, les plaques déflectrices 41, 42 sont disposées à l'intérieur de l'enceinte cylindrique de courte longueur 4 fixée à la partie supérieure de l'ouverture d'entrée 11. Cependant, cette construction peut être modifiée de telle sorte que les plaques déflectrices 41 et 42 elles- mêmes soient disposées juste en aval de l'ouverture d'entrée 11 ou entre l'ouverture d'entrée et les tubes véhiculant la chaleur. En outre, dans la seconde forme de réalisation, la combinaison de la tige colonnaire 3 et de l'ailette 31 et/ou de l'ailette hélicoïdale 32 peut être utilisée à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, en plus des plaques déflectrices 41 et 42. On peut mettre en oeuvre la présente invention conformément à la troisième forme de réalisation représentée sur la figure 3. Une enceinte cylindrique de courte longueur 5, équipée d'un couvercle 51, est raccordée en permanence à une partie supérieure d'une ouverture d'entrée 11 de l'enceinte cylindrique 1, de manière à constituer une partie d'un passage d'entrée pour le gaz véhiculant la chaleur. A une paroi périphérique de l'enceinte cylindrique de courte longueur 5, est fixée une canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur, d'une façon telle que la canalisation d'introduction 52 soit déportée par rapport à l'axe de l'enceinte cylindrique de courte longueur 5 et que la canalisation 52 débouche à l'intérieur de l'enceinte 5. Il est préférable que la canalisation d'introduction du gaz véhiculant la chaleur s'étende tangentiellement à l'enceinte cylindrique de courte longueur 5, de manière que le gaz véhiculant la chaleur puisse circuler tangentiellement le long de la paroi périphérique intérieure de l'enceinte 5 en passant par la canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur. Dans cette forme de réalisation, le gaz véhiculant la chaleur, qui pénètre dans l'enceinte cylindrique de courte longueur 5 par la canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur, circule le long de la paroi périphérique intérieure de l'enceinte cylindrique de courte longueur 5 et est converti en courant tourbillonnaire, en ayant sa direction de circulation modifiée. Par conséquent, l'écoulement tourbillonnaire pénètre ensuite dans l'enceinte cylindrique 1, de telle sorte que l'on peut obtenir les mêmes fonctions et résultats que dans les cas indiqués précédemment. Dans cette forme de réalisation, la canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur est toutefois fixée à l'enceinte cylindrique de courte longueur 5. Cependant, la structure peut être modifiée de telle sorte que la canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur soit fixée à la partie la plus élevée de la paroi périphérique de l'enceinte cylindrique 1, par exemple en un emplacement situé entre l'ouverture d'entrée et les tubes véhiculant la chaleur. En outre, dans la troisième forme de réalisation, on peut utiliser la combinaison de la tige colonnaire 3 et de l'ailette 31 et/ou de l'ailette hélicoïdale 32 à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, en plus de la canalisation 52 d'introduction du gaz véhiculant la chaleur. Comme mentionné précédemment, étant donné que l'échangeur de chaleur selon la présente invention est équipé des moyens de tourbillonnement servant à produire l'écoulement tourbillonnaire du gaz véhiculant la chaleur introduit, le gaz véhiculant la chaleur circule sous la forme de l'écoulement tourbillonnaire dans la direction allant de l'ouverture d'entrée à l'ouverture de sortie. Par conséquent, le gaz véhiculant la chaleur vient en contact avec plusieurs tubes véhiculant la chaleur, disposés à l'intérieur de l'enceinte cylindrique, et ce pendant un intervalle de temps fortement prolongé, de sorte que le rendement de l'échange thermique peut être amélioré. En outre, même si le gaz véhiculant la chaleur contient une quantité importante de poussière, une moins grande quantité de poussière s'accumule sur les tubes véhiculant la cha- leur, grâce à l'écoulement tourbillonnaire, de sorte que le rendement de l'échange thermique peut difficilement être altéré. Ceci assure un fonctionnement prolongé de l'échangeur de chaleur. C'est pourquoi, l'invention présente une valeur industrielle extrêmement élevée en procurant l'échangeur de chaleur, dans lequel les problèmes classiques ont été résolus. REVENDICATIONS 1. Échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte cylindrique (1), qu'un gaz véhiculant la chaleur est destiné à traverser d'une extrémité à l'autre, un certain nombre de tubes (2) véhiculant de la chaleur, disposés à l'intérieur de l'enceinte cylindrique (1), parallèlement à la direction longitudinale de cette enceinte cylindrique, et des moyens de tourbillonnement (3,31) pour produire un écoulement tourbillonnaire dans le gaz véhiculant la chaleur circulant à l'intérieur de l'enceinte. 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte cylindrique (1) comporte une ouverture d'entrée (11) située à une extrémité et une ouverture de sortie (12) située à l'autre extrémité, et lesdits moyens de tourbillonnement (3,31) comprennent une combinaison d'une tige colonnaire (3) disposée le long de l'axe de l'enceinte cylindrique et une ailette hélicoïdale (31) qui fait saillie radialement vers l'extérieur autour de la tige colonnaire et s'étend selon une disposition hélicoïdale dans une direction allant de l'ouverture d'entrée (11) à l'ouverture de sortie (12). 3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une autre ailette hélicoïdale (32) est formée en saillie et s'étend radialement vers l'intérieur sur la paroi périphérique intérieure de l'enceinte cylindrique (1), de telle sorte que la direction d'enroulement en hélice de ladite autre ailette (32) est la même que celle de l'ailette (31) disposée autour de la tige colonnaire (3). 4. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux plaques déflectrices (41,42) ayant toutes les deux une forme semi-elliptique sont disposées à l'intérieur de ladite enceinte cylindrique (1), entre les tubes (2) véhiculant la chaleur et l'ouverture d'entrée (11) de l'enceinte cylindrique (1), et lesdites deux plaques déflectrices (41,42) sont toutes les deux inclinées par rapport à la direction d'écoulement du gaz véhiculant la chaleur, par pivotement de ces plaques déflectrices dans des sens opposés autour de leurs petits axes respectifs. 5. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une autre enceinte cylindrique (4) communique, par une extrémité, avec la partie amont de l'ouverture d'entrée de l'enceinte cylin- drique (1) et possède une ouverture située à l'autre extrémité, de manière à former une partie d'un passage d'entrée pour le gaz véhiculant la chaleur, et en 8 2731509 ce qu'à l'intérieur de ladite autre enceinte cylindrique (4) sont disposées deux plaques déflectrices (41,42) possédant toutes les deux une forme semi- elliptique et inclinées toutes les deux par rapport à la direction d'écoulement du gaz véhiculant la chaleur, par pivotement des plaques déflectrices dans des sens opposés autour de leurs petits axes respectifs. 6. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une canalisation (52) d'introduction du gaz véhiculant la chaleur est fixée à la paroi périphérique de ladite enceinte cylindrique (1), en un emplacement situé entre l'ouverture d'entrée (11) et le tube (2) véhiculant la chaleur, d'une façon telle que la canalisation (52) d'introduction du gaz véhiculant la chaleur soit déportée par rapport à l'axe de ladite enceinte cylindrique (1), et en ce que la canalisation (52) d'introduction du gaz véhiculant la chaleur débouche à l'intérieur de l'enceinte cylindrique. 7. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce qu'une autre enceinte cylindrique (5) est en communication permanente, par une extrémité, avec une partie amont d'une ouverture d'entrée (11) de l'enceinte cylindrique (1) et possède une ouverture au niveau de sa paroi périphérique, son extrémité amont étant fermée de manière à constituer une partie d'un passage d'entrée pour le gaz véhiculant la chaleur, et en ce qu'une canalisation (52) d'introduction du gaz véhiculant la chaleur est fixée à la paroi périphérique de ladite autre enceinte cylindrique (5) d'une façon telle que la canalisation d'introduction soit déportée par rapport à l'axe de ladite autre enceinte cylindrique et que la canalisation débouche à l'intérieur de l'enceinte cylindrique. 8. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, sur une paroi périphérique de l'enceinte (1) et du côté de l'ouverture d'entrée (11), sont disposés, côte-à-côte, un distributeur (21) et un collecteur (22), le distributeur (21) étant adapté pour distribuer un gaz recevant la chaleur, à plusieurs des tubes (2) en forme de U véhiculant la chaleur, et le collecteur (22) servant à recueillir et à évacuer le gaz recevant la chaleur, qui a reçu cette chaleur, et en ce que les deux extrémités de chacun des tubes (2) en forme de U véhiculant la chaleur communiquent respectivement avec le distributeur (21) et le collecteur (22), et deux parties rectilignes (2a, 2b) de chaque tube (2) véhiculant la chaleur, qui s'étendent à partir d'une partie coudée de ce tube, sont disposées parallèlement à la direction de circulation du gaz véhiculant la chaleur à l'intérieur de l'enceinte cylindrique (1). 9. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte cylindrique (1) est entourée par une chemise (23), dont une extrémité est en communication avec le distributeur (21), et en ce que la chemise (23) possède, à son autre extrémité, une ouverture d'entrée pour le gaz recevant la chaleur.