Brevet FR2837262A1 — publié le 20030919

par un asservissement en fonction de la trajectoire du soleil et de la zone d'ombre a eclairer. 221993.FRD Refroidisseur pour qaz chauds poussiereux L' invention se rapporte a un refroidisseur pour gaz chauds poussiereux, contenant un faisceau d'une pluralite de tubes qui s'etendent a partir de la face arriere d'une plaque commune, laquelle comporte des orifices coaxiaux aux axes de tubes, l' entree dans chaque tube presentant un rebord arrondi. Un refroidisseur du type susmentionne est connu par EP 0 629 273 B1. Dans ce refroidisseur, les tubes vent evasees en cornets a leur extremite d' entree, suivant un rayon de courbure constant r sur une distance axiale approximativement egale a r, le rapport de ce rayon de courbure r au rayon R de la section transversale de tube etant superieur a 0,3 et etant compris de preference entre 0,5 et 0,8. La zone d' entree des tubes d'un refroidisseur de ce type est particulierement critique en ce qui concerne les depots, lorsque les gaz chauds a refroidir contiennent des poussie- res, par exemple des fines de cendre. Il s'agit de decrire cela en prenant pour exemple les effluents gazeux issus de la combustion de poussiere de lignite rhenane. Cette derriere est la poussiere finie la plus utilisee en Allemagne, dans les chaudieres industrielles, par exemple les chaudieres a tubes-foyers. Ces chaudieres a tubes-foyers ont un foyer, le tube foyer, duquel les effluents gazeux cendreux issus de la combustion s'echappent a une temperature le plus souvent comprise entre 800 et 100 C. Les effluents gazeux franchis sent une chambre de deviation et arrivent alors dans un premier train de tubes d'un refroidisseur pour etre refroidis davantage. L'art anterieur consiste en ce que les tubes du premier train de tubes vent soudes du cote entree dans une plaque frontale, epaisse d' environ 30 a 60 mm. Souvent, le bord interieur du tube est brise ou arrondi, pour reduire la resistance a l'ecoulement. Cette conception a fait ses preuves dans des chaudieres a mazout et a gaz. Dans la combustion de fines de combustion chargees de cendre, il est toutefois apparu que le decollement de flux toujours present a l' entree des tubes conduisait sur le bord interieur avant du tube a la formation de depots de cendre similaires a des balais de sorciere, qui en l'espace de quelques jour bouchait l' entree du tube et ne s'eliminait que difficilement. La cendre des [ignites susmentionnes se presente certes sous la forme de fines particules d'oxydes, comme CaO, SiO2, A12O3 etc. dont le point de fusion est tres superieur a 1500 C, de sorte qu'a une temperature d'effluents gazeux comprise entre 800 C et 1000 C il ne devrait en fait rien se passer de negatif meme dans la zone de forte turbu- lences d'un decollement de flux. I1 est toutefois apparu que, une fois que s'est deposee une couche de poussiere, la formation par CaO et SiO2, par exemple, presents ensemble, d'un melange eutectique, dont le point de fusion est alors bien inferieur a 800 C, n'est plus qu'une question d'heures, en particulier lorsque d'autres impuretes vent presentes dans la poussiere de cendres. Il se cree done dans l' entree du tube un depot cur, difficile a l'eliminer, qui gene le fonctionnement. En guise de solution il est decrit dans EP 0 629 273 B1 susmentionne, comment arrondir l' entree des tubes du refro- idisseur, par evasement en cornet des extremites des tubes, qui vent soudees dans la plaque frontale porteuse, de maniere a ce que lecoulement arrivant de la chambre de deviation accelere a l' entree du refroidisseur, sans coupure et sans deviation d'ampleur inadmissible. Les depots a l' entree de tube ont effectivement pu etre evites avec la conception decrite. En raison du grand diametre des cornets l'ecartement mutuel toutefois necessaire des tubes du faisceau tubulaire formant le refroidisseur s'est agrandi, ce qui a augmente l'encombrement du faisceau de tubes a environ cinq fois les sections transversales interieures des tubes, ce qui a eu pour consequences une chaudiere agrandie en consequence et ainsi un cout total plus eleve. Dans cette optique, il se pose en outre le probleme, de ne pas pouvoir agrandir les chaudiere a l'envi, si on souhaite qu'elles demeurent transportables, car les sections tran svers ale s des route s vent l imitees de maniere tel le en hauteur, du fait des souterrains et des conduites des voies de chemin de fer, que des unites de plus de 4,30 m de hauteur ne peuvent plus etre transportees. On pourrait penser a reduire le diametre requis de l' entree en cornet avec les methodes de calcul connues par la theorie des couches limites. Ceci conduit toutefois a des calculs mathematiques considerables pour les differents diametres de tubes et les differentes temperatures de service ainsi quta un contour de lt entree difficile a realiser. L' invention se preoccupe du probleme de creer un refroidisseur du type susmentionne, qui soit d'une construc- tion compacte et evite les depots de poussiere aux entrees de tubes. Ce probleme est resolu selon l' invention par un refro idisseur pour gaz chauds poussiereux, contenant un faisceau d'une pluralite de tubes de diametre interieur di, dont les extremites vent fixees a une plaque commune, pourvue d'orifi ces d' entree, les orifices d' entree presentant des rebords arrondis, caracterise en ce que a) l'arrondi de chaque orifice d' entree dans la plaque est defini par deux rayons de courbure R1 et R2, un arc forme par le premier rayon de courbure R1 debouchant tangentiellement dans la paroi interieure du tube se raccordant a l 'orifice d' entree et a partir de la s'etendant en direction de la face avant de la plaque via un arc d' environ 34 et a cet arc se raccordant tangentiellement le second arc de rayon R2, qui se fond tangentiellement dans la surface de la face avant de la plaque, les rayons verifiant: R1 = 0,47 di a 0,87 di R2 = 0,47 di a 0,87 di et b) a proximite de la surface de la face avant de la plaque est dispose au moins un injecteur, qui est relic a un appareil a air comprime. Des developpements avantageux de l' invention vent enonces ci-apres: L'injecteur est un injecteur a jet plat et a un angle de soufflage qui couvre au moins partiellement la plaque. - Plusieurs injecteurs vent prevus, qui vent disposes en divers endroits de la plaque et couvrent ensemble la totalite de la plaque. - Le au moins un injecteur est oriente de maniere telle que son jet d'air s'etend sensiblement tangentiellement a la face avant de la plaque. - Les arrondis vent realises chacun sur les bords de percages realises dans la plaque et que les tubes vent soudes a la face arriere de la plaque. - Les extremites de tubes soudees avec la plaque reposent dans des evasements des per,cages cylindriques realises sur la face arriere de la plaque. - Les evasements sur une section partielle s'evasent en cones dans la direction de la face arriere de la plaque. Dans le refroidisseur selon l' invention, le contour de l' entree de chaque tube est defini par seulement deux rayons, qui vent en rapport avec le diametre interieur du tube. La solution selon l' invention s'approche tres pres de l'objectif de reduction du diametre de l' entree et offre l'avantage d'une realisation tres simple en atelier. Dans la pratique, il se pose lors de la combustion de poussiere de cendre, en particulier de poussiere de lignite rhenane, un second probleme, meme si l'on empeche les depots dans les entrees de tubes. Il s'agit de grains insuffisamment broyes, qui ne vent pas encore brules completement lorsqu'ils arrive a l' entree du tube. I1 y vent encore pateux et tendent a former des paquets. Ces paquets apparaissent sur les surfaces planes de la plaque frontale maintenant les tubes entre les entrees des tubes et peuvent atteindre une taille telle qu'ils genent lecoulement dans l' entree des tubes. Pour eviter cela, au moins un injecteur relic a un appareil a air comprime est dispose a proximite de la surface de la face avant de la plaque portent les tubes, a l' aide duquel les depots peuvent etre elimines de la plaque par jet d'air. I1 suffit dans ce cas que des charges d'air comprime soient dirigees sur la plaque une ou deux fois par heure. Ces charges d'air comprime doivent etre de preference etre orientees tangentielles et couvrir la surface totaIe de la plaque. Le cas echeant, plusieurs injecteurs vent prevus, r dont les zones d'injection couvrent ensemble la surface totale de la plaque. Dans EP 0 629 273 B1 les entrees des tubes vent formes a l'une de leurs extremites par un evasement des tubes. L,evasement des tubes est tres difficile a realiser, parce que les tubes presentent une epaisseur de paroi relativement elevee et ont comparativement a cela un petit diametre. Par l'evasement des extremites de tubes, leur epaisseur de paroi se reduit toutefois. Pour des questions de resistance, elle ne doit pas etre inferieure a 4 mm, ce qui signifie que l'epaisseur de paroi du tube non deforme doit etre de l'ordre de 8 mm. La deformation d'un materiau aussi epais pour un diametre interieur de tube de ltordre de 80 mm necessite l'utilisation de machines lourdes. Lors de l'usinage, le tube est bride dans un mandrin rotatif, un espace de travail libre de 8 m de longueur doit done etre disponible, dans l'atelier, derriere ce mandrin, ce qui represente un inconvenient. C'est pourquoi, pour eviter cet encombrement, il a deja ete propose de realiser les zones d' entree des tubes en tent que pieces distinctes courses, qui vent ensuite soudees a des tubes deformes. Ceci necessite de lisser peniblement le cordon de soudure a l'interieur du tube, pour eviter les decollements de flux. En tout cas, il n'est pas possible de realiser des surfaces laminees avec la faible rugosite recherchee, qui exclut absolument la formation de turbulences. C'est pourquoi il est prevu, dans un developpement avantageux de l' invention, que l'arrondi de la zone d' entree de chaque tube soit forme dans la plaque maintenant les tubes, avec pour consequence que les tubes vent mis en place par l'arriere sur la plaque et vent soudes avec celle-ci. Lors de la fabrication, la plaque recoit tout d'abord le nombre de trous requis. Sur sa face arriere des evasements vent ensuite menages par fraisage sur les trous, pour recevoir les extremites des tubes et les cordons de soudure. Sur la face avant de la plaque, le contour d' entree recherche aux bordures des trous est obtenu par usinage par enlevement de copeaux. Etant donne que pour des raisons de resistance, la plaque doit avoir dans la pratique une epaisseur d'au moins 50 mm, le formage des zones d' entrees arrondies ne pose r pas probleme. L'avantage du contour geometriquement simple des zones d' entree est que les arrondis peuvent etre realises a l' aide d'outils relativement simples a fabriquer, qui peuvent etre affutes de maniere simple egalement. L' invention est decrite en detail ci-apres avec refe rence a un exemple de realisation representes sur les dessins. La figure 1 est une vue en coupe axiale de la zone d' entree d'un tube isole d'un refroidisseur selon l'inven tion, et La figure 2 est une vue frontale d'une chaudiere comportant deux refroidisseurs selon l' invention en coupe radiale. La figure 1 montre la realisation selon l' invention d'une entree de tube, qui presente un arrondi determine par deux arcs de cercles se raccordant l'un a l'autre. On reconnalt sur la figure 1 l'extremite du cote entree d'un tube 1, qui est monte sur une plaque frontale 2, laquelle presente un orifice prevu pour ce tube 1, lequel trou est coaxial a l'axe du tube O. L' orifice est de preference un percage et presente un diametre interieur qui correspond au diametre interieur di du tube 1. Par ailleurs, le trou possede sur la face arriere de la plaque frontale 2 un elargissement de diametre db, qui est d' environ 0,2 mm superieur au diametre exterieur da du tube 1. L'evasement presente une longueur axiale suffisante pour maintenir de maniere sure une extre- mite de tube inseree. Il mesure par exemple 10 a 12 mm environ pour un diametre exterieur de tube da de 90 mm. Cet elargissement se termine par un epaulement annulaire 3 s'etendant obliquement. L'epaulement annulaire 3 forme avec la face avant du tube 1 une rainure a section transversale en forme de coin, qui est remplie d'un cordon de soudure 4. L'evasement dans lequel repose le tube 1 est cylindrique sur sa sections partielle interieure et s'evase en cone vers la face arriere de la plaque frontale 2, de sorte qu'une rainure annulaire a section transversale en forme de coin est formee entre la plaque 2 et la paroi exterieure du tube 1, qui est remplie par un cordon de soudure 5. Sur la face avant de la plaque frontale, c'est-a-dire devant l'extremite du tube 1, l 'orifice est arrondi, et ce tout d'abord suivant un rayon R1 dont l'arc de cercle 6 defini par lui s'etend sur un angle a d' environ 34 dans l'exemple, puis suivant une second rayon R2 plus petit, dont l'arc de cercle 7 defini par lui se raccorde tangentiellement a l'arc de cercle 6 a une extremite et a l'autre extremite se fond tangentiellement dans la face avant de la plaque frontale 2. Ce second arc de cercle 7 de rayon R2 s'etend ainsi sur environ 56 . En developpement de la presente invention, directement a l'extremite du second arc de cercle 7 se fondant tangen- tiellement dans la face avant de la plaque frontale 2 se raccorde l'arc de cercle correspondent 7 de l'arrondi de l' entree du tube 1 voisin, en d'autres termes, les deux extremites adjacentes des second arcs de cercles 7 forment en leur point de plus proche un point culminant, les points culminant des entrees de tubes voisins presentant un ecarte- ment t. Avec les rapports dimensionnels indiques par l'inven tion, il s'etablit entre les arrondis et le diametre de tubes un ecartement t qui est environ 1,4 fois le diametre exte- rieur du tube. Dans l'exemple pratiques, le tube 1 a un diametre interieur de tube di de 80,9 mm, un diametre exterieur de 90,1 mm et l'ecartement t est de 126 mm. La plaque frontale 2 a une epaisseur de 55 mm et le tube 1 est enforce sur une profondeur d' environ 11 mm par l'arriere dans la plaque frontale 2. le plus grand rayon d'arrondi R1 est de 70 mm, tandis que le petit rayon d'arrondi R2 est de 13 mm. La transition entre l'arc de cercle 6 du rayon d'arrondi R1 et le tube 1 sur le cordon de soudure 3 est poke proprement, pour eviter les turbulences. Pour realiser les orifices dans la plaque, ceux-ci vent tout d'abord perces de maniere cylindrique puis aleses a partir de la face arriere a l' aide de fraises speciales pour recevoir l'extremite du tube et le cordon de soudure. Sur la face avant, les orifices vent aleses a l' aide d'outils de tournage de contour specialement configure, pour creer l'arrondi. Etant donne que l'arrondi n'est defini que par i deux rayons, les outils de tournage vent d'autant plus faciles a realiser et a affuter. Avec les valeurs donnees, le rapport de section trans- versale du diametre d' entree le plus grand, qui est defini par l'ecartement t, au diametre interieur de tube di est egal a (126: 80,9)2 = 2,43. La surface n'est done plus que la moitie environ de celle de l' entree en forme de cornet de l'art anterieur. Des essais ont montre que l'ecoulement ne se decolle pas, meme lorsque les surfaces qui vent definies par les rayons 6 et 7 presentent des stries d'usinage ou des traces de rouille, ce qui souvent n'est pas evitable en chaudronne- rie. La forme de l' entree montree sur la figure 1 et decrite ci-avant conserve encore une merge de securite avant le decollement de l'ecoulement. Lors d'un essai avec R1 = 50 mm et une surface presentant une rugosite de corrosion plus elevee, des decollements de flux ont ete observes. De toute evidence, R = 50 mm est deja trop petit pour un tube de dimensions 88,9 x 4 mm. La limite se situe done au-dela de 50 mm. La dimension R1 = 70 mm inclut done dans le present exemple une reserve de securite d'envi ron 20%. Pour d'autres diametres que ceux qui vent a la base de l'exemple explique, toutes les autres dimensions vent a modifier proportionnellement, soit: R1: di = 70: 80,90 = 0,865 R2: di = 13: 80,90 = 0,161 On obtient ainsi pour tous les diametres de tubes et les temperatures de gaz une entree d'ecoulement sans decollement dans les tubes du refroidisseur, et ainsi des entrees de tubes demeurant propres. Les eventuels problemes se posant du fait de grains de grandes dimensions peuvent etre resolus avec les charges d'air comprimees precedemment mentionnees. La figure 2 montre une vue en elevation frontale schematique d'une chaudiere a tubes-foyers qui comporte deux refroidisseurs selon la presente invention. On reconnat une chaudiere 10, dans laquelle un tube foyer 11 est place au centre. En dessous du tube-foyer 11 vent disposes deux refroidisseurs selon ['invention, qui vent designee chacun globalement par 12 et dont les faces fronta- les vent visibles, qui presentent des entrees de tubes de refroidissement 1. La chaudiere 10 est entouree d'une isolation 13. A la face frontale de chaque refroidisseur 12 est associe un injecteur a jet plat 14. Chaque injecteur a jet plat 14 est raccorde a un appareil a air comprime 15. Le cas echeant, un appareil a air comprime 15 peut alimenter les deux injecteurs a jet plat 14. Le dispositif de commande des appareils a air comprime 15 n'est pas represente pour des raisons de lisibilite. Le bruleur de poussiere de charbon associe au tube-foyer 11 n'est pas represente et n'est pas non plus indispensable a l 'explication de l' invention. Il peut par exemple s'agir d'un bruleur tel que decrit dans DE 25 27 618 A1. On reconnat sur le dessin quia l'interieur de la chaudiere 10 et endessous du tube-foyer 11 seul un espace limite est disponible pour loger le refroidisseur 12, dont la chaleur a evacuer doit etre transmise a l'eau de la chaudie ret L' augmentation de la puissance de la chaudiere implique une agrandissement du volume de toute la chaudiere. Par ailleurs, comme deja mentionne, des limites aux tailles de chaudieres vent fixees par les profile des routes. On ne peut done augmenter la puissance de la chaudiere dans les dimen signs geometriques donnees que si l'on parvient a mieux firer parti de ltespace a l'interieur de la chaudiere. Ceci est possible a l' aide de l' invention, parce qu'en raison de l'agencement plus compact des tubes de refroidisseur la capacite du refroidisseur peut etre augmentee pour des volumes donnees. Revendications 1. Refroidisseur pour gaz chauds poussiereux, contenant un faisceau d'une pluralite de tubes de diametre interieur di, dont les extremites vent fixees a une plaque commune, pourvue d'orifices d' entree, les orifices d' entree presentant des rebords arrondis, caracterise en ce que a) l'arrondi de chaque orifice d' entree dans la plaque (2) est defini par deux rayons de courbure R1 et R2, un arc (6) forme par le premier rayon de courbure R1 debouchant tangentiellement dans la paroi interieure du tube (1) se raccordant a l' orifice d' entree et a partir de la s'etendant en direction de la face avant de la plaque (2) via un arc d' environ 34 et a cet arc se raccordant tangentiellement le second arc de rayon R2, qui se fond tangentiellement dans la surface de la face avant de la plaque (2), les rayons verifiant: R1 = 0,47 di a 0,87 di R2 = 0,47 di a 0,87 di et b) a proximite de la surface de la face avant de la plaque (2) est dispose au moins un injecteur (14), qui est relic a un appareil a air comprime (15). 2. Refroidisseur selon la revendication 1, caracterise en ce que l'injecteur (14) est un injecteur a jet plat et a un angle de soufflage qui couvre au moins partiellement la plaque (2). 3. Refroidisseur selon la revendication 2, caracterise en ce que plusieurs injecteurs (14) vent prevus, qui vent disposes en divers endroits de la plaque (2) et couvrent ensemble la totalite de la plaque (2). 4. Refroidisseur selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que le au moins un injecteur (14) est oriente de maniere telle que son jet d'air s'etend sensible- ment tangentiellement a la face avant de la plaque (2). 5. Refroidisseur selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que les arrondis vent realises chacun sur les bords de percages realises dans la plaque (2) et que les tubes (1) vent soudes a la face arriere de la plaque (2). 6. Refroidisseur selon la revendication 5, caracterise en ce que les extremites de tubes soudees avec la plaque (2) reposent dans des evasements des percages cylindriques realises sur la face arriere de la plaque (2). 7. Refroidisseur selon la revendication 6, caracterise en ce que les evasements sur une section partielle s'evasent en