Brevet FR2767380A1 — publié le 19990219

Dispositif d'échange thermique pour une chaudière a lit fluidisé circulant La présente invention concerne un dispositif d'échange thermique pour une chaudière à lit fluidisé circulant. Une telle chaudière comporte entre autres les éléments suivants symbolisés dans la figure 1: - un foyer C assurant la combustion du combustible en un lit fluidisé circulant de particules, foyer dont les parois comprennent des tuyaux verticaux dans lesquels circule une émulsion (phase liquide et phase vapeur) d'eau produite par évaporation de l'eau qui est introduite à la base de ces tuyaux; - un organe de séparation S, généralement un cyclone, qui récupère les gaz et les particules éjectées en haut du foyer pour les diriger dans deux conduits distincts; - un premier échangeur thermique ET1, souvent raccordé au conduit gaz Si de l'organe de séparation S, qui est par exemple un économiseur, un vaporisateur, un surchauffeur ou un resurchauffeur; - un lit fluidisé dense ET2 alimenté en particules à partir de l'organe de séparation S, c'est à dire raccordé d'une part au conduit particules S2 de cet organe et d'autre part à la partie basse du foyer C (on peut également prévoir un lit fuidisé dense ET2B alimenté par des particules collectées dans le foyer C, c'est à dire raccordé d'une part au conduit d'extraction de ce foyer et d'autre part à sa partie basse), ce lit fluidisé dense comportant un deuxième échangeur thermique dont l'entrée est raccordée à la sortie du premier échangeur ET1. Ce deuxième échangeur est en général constitué de plusieurs faisceaux de tubes comportant chacun plusieurs serpentins arrangés dans des plans parallèles généralement verticaux. Dans ces faisceaux circule le fluide caloporteur, couramment de la vapeur d'eau, le tout étant35 intégré dans un bac rectangulaire. La plupart du temps, ces faisceaux sont agencés de la façon suivante: depuis une paroi du bac on rencontre un premier faisceau séparé ou non de cette paroi par un espace sans serpentin, puis un deuxième faisceau séparé ou non du 5 premier faisceau par un espace sans serpentin; l'espace entre le premier et le deuxième faisceaux peut comporter une séparation physique telle qu'un muret ou une cloison; les éventuels faisceaux additionnels sont agencés de manière analogue de sorte que le dernier faisceau soit séparé ou non par un espace sans serpentin de la paroi du bac opposée à celle qui est en regard du premier faisceau. Le conduit d'alimentation en particules du lit fuidisé dense ET2 est donc raccordé à une paroi du bac ou à l'espace libre entre le premier faisceau et cette paroi, le retour15 des particules au foyer C se faisant par la paroi opposée ou par une sortie connectée à l'espace libre entre le dernier faisceau et cette paroi opposée. Le brassage intense des particules tend à homogénéiser la température dans le bac, cependant, comme les particules ressortent du bac plus froides qu'elles n'y sont entrées, cette température n'est pas la même en tous points. Les tubes situés à proximité de l'entrée des particules reçoivent un apport de chaleur plus important que ceux qui sont proches de la sortie.25 De plus, lorsque la puissance de la chaudière augmente, il en va de même pour la puissance et donc pour la taille des échangeurs. Or la dispersion de température est directement liée à la taille du bac rectangulaire. Ainsi, la température de la vapeur produite par le premier faisceau30 disposé à l'entrée des particules est supérieure à celle du dernier faisceau disposé à la sortie, ce qui n'est pas souhaitable. Par surcroît, on évite de réaliser des faisceaux qui supportent tous la température maximale du bac car il s'agit là d'une solution coûteuse. On prévoit donc autant de types de faisceaux qu'il y en a dans un échangeur, chaque type étant dimensionné pour une température de fonctionnement qui correspond à son emplacement dans le bac. En procédant de la sorte, on se prive des nombreux avantages qui découlent d'une ligne de fabrication unique.5 La présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'échange thermique qui permette d'obtenir en sortie des faisceaux du deuxième échangeur une température sensiblement uniforme. Selon l'invention, le dispositif d'échange thermique comprend un premier échangeur thermique suivi d'un deuxième échangeur thermique disposé dans un lit fluidisé dense, ce deuxième échangeur étant constitué d'une pluralité de faisceaux tubulaires disposés le long du trajet des particules en suspension dans le lit fluidisé dense. De15 plus, le deuxième échangeur comportant au moins deux alimentations situées de part et d'autre de son centre, ces alimentations reçoivent chacune un mélange distinct du fluide d'entrée et du fluide de sortie du premier échangeur, de sorte que la température du fluide entrant dans chacun20 des faisceaux soit une fonction croissante de sa distance à l'entrée des particules dans ce lit fluidisé dense. Les écarts de température des particules dans le lit fluidisé dense sont donc compensés par les écarts de température des fluides qui alimentent les différents25 faisceaux. Une solution efficace quant au plan thermique, lorsque le deuxième échangeur comporte plus de deux faisceaux, consiste à prévoir une alimentation propre pour chacun de ces faisceaux.30 Cependant, une solution économique consiste au contraire à prévoir que les alimentions des faisceaux soient raccordées à un collecteur unique. Selon une caractéristique avantageuse, les faisceaux sont constitués par des serpentins de tubes agencés dans des plans verticaux et parallèles. De plus, le trajet des particules est perpendiculaire aux plans dans lesquels figurent les serpentins. Un mode de réalisation privilégié consiste à adopter des faisceaux qui sont tous identiques. Avantageusement, l'un au moins des mélanges des fluides d'entrée et de sortie du premier échangeur est réalisé par des vannes de régulation raccordées à l'entrée et à la sortie de ce premier échangeur. Toutefois, on peut prévoir que l'un au moins des mélanges des fluides d'entrée et de sortie du premier échangeur soit réalisé par une vanne de régulation raccordée soit à l'entrée soit à la sortie de cet échangeur. L'invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une représentation symbolique d'une chaudière à laquelle s'applique l'invention, - la figure 2, un premier mode de réalisation de l'invention, et - la figure 3, une variante de l'invention. Les éléments présents dans différentes figures sont affectés d'une seule référence. Par la suite, les seuls composants d'une chaudière nécessaire à la compréhension de l'invention seront mentionnés dans le texte et représentés dans les figures. En référence à la figure 2, on distingue en premier lieu le premier échangeur thermique ET1 symbolisé par un serpentin dans une enceinte.30 Le lit fluidisé dense ET2 prend ici la forme d'un bac rectangulaire. Par abus de langage le bac entier sera considéré comme le deuxième échangeur thermique. Dans ce bac, figurent trois faisceaux de tubes en serpentin F1, F2, F3, les serpentins au nombre de trois par faisceau, étant dans des plans verticaux qui sont perpendiculaires & celui de la figure. Le bac ET2 est raccordé à une conduite d'entrée des particules 2E sur l'une de ses parois parallèles aux plans des serpentins et à une conduite de sortie des particules 2S sur la paroi opposée. Dans cette configuration, le flux des 5 particules est donc en moyenne perpendiculaire aux plans de serpentins. Le premier faisceau F1 est disposé du côté de l'entrée des particules 2E et le troisième faisceau F3 du côté de la sortie 2S.10 Chaque faisceau F1, F2, F3 possède sa propre alimentation Ai, A2, A3 (un collecteur d'entrée) tandis qu'il est prévu un collecteur de sortie unique BS pour tous les faisceaux. On pourrait naturellement adopter une autre disposition des faisceaux, par exemple en agençant les plans de serpentins de sorte qu'ils soient parallèles aux flux de particules. On pourrait également prévoir que chaque faisceau ait son propre collecteur de sortie. L'alimentation Ai, A2, A3 de chacun des faisceaux est raccordée par l'intermédiaire de deux vannes de régulation à l'entrée et à la sortie du premier échangeur thermique ET1. Ces vannes sont donc régulées de sorte que les températures en sortie des faisceaux F1, F2, F3 soient sensiblement égales. Il s'agit là de la solution la plus performante et l'on pourrait très bien envisager que l'alimentation A1 du premier faisceau soit raccordée uniquement à l'entrée du premier échangeur thermique ET1 et que l'alimentation A3 du troisième faisceau soit raccordée uniquement à la sortie de30 cet échangeur ET1. De même, l'une ou l'autre des vannes pourraient être remplacée par un simple diaphragme. Une autre réalisation consisterait à remplacer les deux vannes associées à une alimentation par une vanne trois voies.35 En fait, l'homme du métier comprend bien qu'il y a de nombreuses solutions disponibles pour alimenter les faisceaux à des températures différentes, dès lors que l'on dispose d'un accès par faisceau. Selon une variante de l'invention, représentée dans la figure 2 on prévoit maintenant un collecteur d'entrée unique BE pour les trois faisceaux. L'extrémité de ce collecteur située au niveau du premier faisceau est raccordée par l'intermédiaire de deux vannes de régulation à l'entrée et à la sortie du premier échangeur thermique ET1, tandis que son extrémité figurant au niveau du troisième faisceau est raccordée directement à la sortie de cet échangeur ET1. Les alimentations du collecteur d'entrée BE pourraient être déportées et ne pas figurer exactement à ses extrémités: ce qui importe c'est de disposer de deux alimentations suffisamment distantes qui soient positionnées de part et d'autre du centre de ce collecteur. De plus, les remarques faites plus haut en rapport avec la diversité des solutions disponibles pour la mise en oeuvre de l'invention s'appliquent ici également.20 Dans le même esprit, on pourrait également prévoir que ce collecteur d'entrée BE soit pourvu d'une alimentation additionnelle disposée sensiblement en son milieu, cette alimentation recevant un mélange des fluides provenant de l'entrée et de la sortie du premier échangeur thermique ET1.25 Ainsi, l'invention permet au moyen d'organes de réglages statiques ou régulés d'obtenir en sortie des différents faisceaux des vapeurs ayant approximativement la même température. L'invention s'applique évidemment s'il y a deux faisceaux ou s'il y en a plus de trois. L'invention s'applique aussi si un élément quelconque est intercalé entre le lit fluidisé dense ET2 et le conduit particules S2 de l'organe de séparation S (ou bien entre le lit fluidisé dense ET2B et le conduit d'extraction du foyer35 C si ce lit fluidisé dense ET2B est alimenté par des particules collectées dans ce foyer). L'invention n'est donc pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'on peut la mettre en oeuvre de bien des façons, ne serait ce qu'en remplaçant un moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'échange thermique comprenant un premier échangeur thermique (ET1) suivi d'un deuxième échangeur thermique (ET2) disposé dans un lit fluidisé dense, ce deuxième échangeur étant constitué d'une pluralité de faisceaux tubulaires(F1, F2, F3) disposés le long du trajet des particules en suspension dans le lit fluidisé dense, caractérisé en ce que, ledit deuxième échangeur (ET2) comportant au moins deux alimentations situées de part et10 d'autre de son centre, ces alimentations reçoivent chacune un mélange distinct du fluide d'entrée et du fluide sortie dudit premier échangeur (ET1), de sorte que la température du fluide entrant dans chacun desdits faisceaux (F1, F2, F3) soit une fonction croissante de sa distance à l'entrée des15 particules dans ce lit fluidisé dense. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, ledit deuxième échangeur (ET2) comportant plus de deux faisceaux, chacun de ces faisceaux (F1, F2, F3) est pourvu d'une alimentation propre (Ai, A2, A3).20 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alimentions desdits faisceaux sont raccordées à un collecteur unique (BE). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits faisceaux (F1, F2, F3) sont constitués par des serpentins de tubes agencés dans des plans verticaux et parallèles. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le trajet des particules est perpendiculaire aux plans dans lesquels figurent lesdits serpentins.30 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits faisceaux (F1, F2, F3) sont identiques. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins desdits mélanges des fluides d'entrée et de sortie du premier échangeur (ET1) est réalisé par des vannes de régulation raccordées à l'entrée et à la sortie de ce premier échangeur. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un au moins desdits mélanges des fluides d'entrée et de sortie du premier échangeur (ET1) est réalisé par une vanne de régulation raccordées soit à l'entrée soit à la sortie de cet échangeur.