Brevet FR2998359A1 — publié le 20140523

La présente invention concerne la récupération de chaleur en milieu industriel et, notamment, la récupération de chaleur dégagée par des produits chauds par exemple lors de leur stockage. La chaleur récupérée est par exemple utilisée pour chauffer un fluide et diminuer la consommation énergétique d'une installation. De nombreuses installations industrielles, et notamment les installations de traitement thermique, nécessitent, pour fonctionner, de consommer une quantité relativement importante d'énergie. Cette énergie résulte principalement de la combustion de matières fossiles comme le charbon, les hydrocarbures ou le gaz, ou peut être d'origine nucléaire lorsqu'elle est consommée sous forme d'électricité. Pour un industriel, l'énergie représente, en terme d'achat, un coût important qui ne cesse d'augmenter et tant sa production que sa consommation engendrent des pollutions qu'il est nécessaire de traiter, augmentant encore les dépenses liées à l'énergie. Il en résulte une volonté croissante de diminuer la consommation énergétique des installations industrielles. Parmi les axes de recherche les plus couramment explorés à cette fin, on trouve l'optimisation des consommations énergétiques et la diminution des pertes énergétiques, le recours à des énergies renouvelables... En prenant comme exemple un procédé de traitement thermique mis en oeuvre au moyen d'un four fonctionnant par combustion de gaz naturel, il a été envisagé de : - diminuer la consommation de gaz naturel en améliorant le rendement des brûleurs, le transfert de chaleur vers les produits à chauffer et l'isolation thermique du four, - récupérer la chaleur au voisinage des brûleurs, on parle alors de brûleurs régénératifs, ou dans les fumées émanant du four, - utiliser la chaleur récupérée par exemple pour préchauffer l'air dans le four. Ce type de mesure permet de réaliser des économies substantielles mais engendrent d'autres coûts liés en particulier à l'achat et à la maintenance des dispositifs de récupération de chaleur. En effet, ces dispositifs de récupération de chaleur sont généralement formés d'un échangeur de chaleur à fluide caloporteur circulant dans un circuit relié à une pompe de circulation commandée par une unité de régulation. Un but de l'invention est de proposer une solution permettant d'améliorer la récupération de chaleur dans les installations industrielles en particulier lorsque des produits chauffés sont laissés à l'air libre pour refroidir. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif récupérateur de chaleur, comprenant au moins un circuit inférieur fermé de captage de chaleur par rayonnement thermique, des thermosiphons tubulaires ayant une portion d'extrémité ouverte raccordée au circuit inférieur et une portion d'extrémité supérieure close, et une conduite de fluide en circulation libre qui s'étend transversalement aux thermosiphons et qui reçoit les portions d'extrémité supérieures des thermosiphons, le circuit inférieur et les thermosiphons formant un circuit sous vide contenant un fluide caloporteur de travail susceptible de s'évaporer sous l'effet du rayonnement et de monter dans les thermosiphons pour se condenser dans la portion d'extrémité supérieure après transfert de chaleur par convection au fluide présent dans la conduite supérieure. Ce dispositif présente de nombreux avantages. En particulier, son fonctionnement ne nécessite pas de pompe pour assurer la circulation des fluides : aucun organe 35 mobile ni de source d'énergie externe ne sont obligatoires et aucune régulation n'est nécessaire. Il en résulte une grande fiabilité et une maintenance réduite. Ce dispositif nécessite en outre un faible investissement tant à l'achat qu'à l'entretien. De plus, comme le dispositif exploite la chaleur latente liée au changement d'état du fluide caloporteur de travail, les transferts de chaleur pour un écart de température donné sont relativement importants. L'invention a également pour objet une installation de stockage de produits chauds comprenant une enceinte délimitant une zone de réception des produits chauds et au moins un dispositif de récupération de chaleur du type ci-dessus monté au-dessus de la zone de réception. Le rayonnement thermique émanant des produits chauds va venir chauffer le fluide de travail caloporteur dans le circuit inférieur. Le fluide de travail va s'évaporer avant de se recondenser dans la portion d'extrémité supérieure des thermosiphons en cédant sa chaleur par convection au fluide présent dans la conduite supérieure. On comprend que la récupération de chaleur est d'autant plus efficace que le circuit inférieur est proche des produits chauffés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif récupérateur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie de la zone II de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique d'une installation de stockage conforme à l'invention, montée en aval d'une installation de traitement thermique. En référence aux figures, le dispositif de récupération de chaleur conforme à l'invention est ici utilisé dans une installation 100 de stockage de produits chauds. L'installation de stockage 100 comporte une enceinte 101 qui délimite une zone de réception 102 de produits chauds. Des dispositifs de récupération de chaleur généralement désignés en 1 sont montés dans l'enceinte 101 au-dessus de la zone de réception 102. L'installation de stockage 100 est disposée en aval d'une installation 200 de traitement thermique de produits métalliques tels que des brames, des poutrelles, des tôles... L'installation de traitement thermique 200 est connue en elle-même et comprend par exemple un four pourvu de brûleurs alimentés en air via un circuit d'alimentation 201. Chaque dispositif de récupération 1 comprend au moins un circuit inférieur 2, fermé, de captage de chaleur par rayonnement thermique, des thermosiphons 3 tubulaires ayant une portion d'extrémité inférieure 3.1 ouverte raccordée au circuit inférieur 2 et une portion d'extrémité supérieure 3.2 close, et une conduite supérieure 4 qui s'étend transversalement aux thermosiphons 3 et qui reçoit les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons. La conduite supérieure 4 a une section transversale rectangulaire et comporte une paroi inférieure plane et horizontale qui est traversée par les thermosiphons 3. La conduite supérieure 4 a ses extrémités pourvues respectivement de moyens de sa liaison a une prise d'air extérieur et de moyens de sa liaison au circuit d'alimentation 201 pour transporter l'air prélevé à l'extérieur et chauffé dans la conduite supérieure 4 jusqu'aux brûleurs du four de traitement thermique. Il est ainsi réalisé un préchauffage de l'air qui sera mêlé au gaz pour constituer le mélange qui sera brûlé dans le four de traitement thermique. On notera que les portions d'extrémité supérieure 3.2 des thermosiphons 3 s'étendent sur toute la hauteur de la conduite supérieure 4 de telle manière que l'air présent dans la conduite 4 soit forcément amené au contact desdites portions d'extrémité supérieures 3.2. Le dispositif comporte ici plusieurs circuits inférieurs 2 sous forme chacun d'une canalisation horizontale le long de laquelle sont piqués les thermosiphons 3. Les thermosiphons 3 sont fixés aux canalisations du circuit inférieur 2 de manière à assurer une étanchéité entre les thermosiphons 3 et chaque canalisation dans laquelle ils sont piqués. Les thermosiphons 3 s'étendent verticalement et les canalisations des circuits inférieurs 3 s'étendent parallèlement à la conduite supérieure 4. Les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons 3 sont pourvues extérieurement d'ailettes 3.3. Ces ailettes 3.3 permettent d'augmenter les possibilités d'échange thermique par convection entre les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons 3 et l'air circulant dans la conduite supérieure 4. Pour faciliter le montage des thermosiphons sur la conduite supérieure 4, les portions d'extrémité supérieures 3.2 peuvent être rapportées sur les portions d'extrémité inférieures 3.1. Les ailettes peuvent aussi être rapportées sur les portions d'extrémité supérieures 3.2 après que celles-ci ont été mises en place au travers de la paroi inférieure plane de la conduite supérieure 4 et avant que ladite paroi inférieure plane ne soit recouverte des autres parois constituant la conduite supérieure 4. Chaque circuit inférieur 2 et les thermosiphons 3 y associés formant un circuit sous vide contenant un fluide caloporteur de travail susceptible de s'évaporer sous l'effet du rayonnement et de monter dans les thermosiphons 3 pour se condenser dans la portion d'extrémité supérieure 3.2 après transfert de chaleur par convection à l'air présent dans la conduite supérieure 4. Dans une gamme d'utilisation du fluide caloporteur de 20°C à 350°C, l'eau assure les meilleurs propriétés de transfert thermique en ébullition et condensation et ce pour un faible coût de mise en oeuvre. L'utilisation d'autres fluides caloporteurs comme les huiles thermiques est également possible mais limitée par leur température de dégradation thermique, directement liée à la quantité de chaleur reçue par rayonnement. Le choix du fluide caloporteur approprié dépendra de sa température d'utilisation et donc de l'intensité du rayonnement thermique entre le système et les produit chauds. L'utilisation de l'eau permet d'abaisser le coût global de fabrication du système et est ici conseillée. Le cas de référence utilisé pour le dimensionnement du système utilise de l'eau à 25bar et à une température de 226°C. La portion des thermosiphons 3 s'étendant entre la conduite supérieure 4 et le circuit inférieur 2 est calorifugée pour que le fluide caloporteur de travail puisse subir une transformation adiabatique. Les circuits inférieurs 2 comprennent des piquages non représentés permettant le remplissage des circuits inférieurs 2 par le fluide caloporteur de travail et la mise sous vide des circuits inférieurs 2. La pression de travail dans les circuits inférieurs 2 et les thermosiphons 3 peut s'élever à 20 ou 25 bars ou plus selon le rayonnement thermique auquel les circuits inférieurs 2 sont soumis. Les moyens assurant l'étanchéité des circuits doivent pouvoir supporter une telle pression. Les circuits inférieurs 2, les thermosiphons 3 et la conduite supérieure 4 sont de préférence rectilignes pour diminuer le coût de fabrication du dispositif. Il est prévu des soupapes de sécurité pour éviter les surpressions dans les circuits inférieurs 2, dans les thermosiphons 3. La conduite supérieure 4 est avantageusement prévue avec un conduit de décharge de telle manière qu'en cas d'arrêt du four un écoulement d'air soit maintenu dans la conduite supérieure 4. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif récupérateur de chaleur peut avoir une géométrie différente de celle représentée aux figures. Le dispositif peut par exemple être réalisé au moyen de tubes courbes. Les thermosiphons peuvent être dépourvus d'ailettes. Bien que l'invention ait été plus particulièrement décrite en application au domaine sidérurgique, l'invention est utilisable dans tout milieu industriel. REVENDICATIONS1. Dispositif récupérateur de chaleur, comprenant au moins un circuit inférieur fermé de captage de chaleur par rayonnement thermique, des thermosiphons tubulaire ayant une portion d'extrémité ouverte raccordée au circuit inférieur et une portion d'extrémité supérieure close, et une conduite de fluide en circulation libre qui s'étend transversalement aux thermosiphons et qui reçoit les portions d'extrémité supérieures des thermosiphons, le circuit inférieur et les thermosiphons formant un circuit sous vide contenant un fluide caloporteur de travail susceptible de s'évaporer sous l'effet du rayonnement et de monter dans les thermosiphons pour se condenser dans la portion d'extrémité supérieure après transfert de chaleur par convection au fluide présent dans la conduite supérieure. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les portions d'extrémité supérieures des thermosiphons sont pourvues extérieurement d'ailettes. 3. Dispositif selon la revendication 1, comportant plusieurs circuits inférieurs sous forme chacun d'une canalisation horizontale le long de laquelle sont piqués les thermosiphons. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans laquelle les canalisations des circuits inférieurs s'étendent parallèlement à la conduite supérieure. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans laquelle la conduite supérieure a une section transversale rectangulaire. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit inférieur, les thermosiphons et la conduite supérieure sont rectilignes. 7. Installation de stockage de produits chauds comprenant une enceinte délimitant une zone de réceptiondes produits chauds et dans laquelle est monté au moins un dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, s'étendant au-dessus de la zone de réception.