Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présen-te invention concerne un échangeur-récupérateur
de chaleur à inversion de cycle, particulièrement destiné à la
récupération des calories dans les fumées d'un four à flamme.
L'utilisation rationnelle de l'énergie fournie à un
four ~ flamme implique une récupération de l'énergle contenue
dans les fumées sortant de ce four. Cette énegie récupérée peut
être utilisée:
- pour les usages généraux: tels que le chauffage
des locaux: cet usage est alors saisonnier, et son efficacité
est donc limitée aux seules périodes "froides". Le rendement
annuel de récupération est donc très limité.
- pour les usages locaux tels que:
. Préchauffage de charges: ceci n'est possible
que pour les fours fonctionnant pendant la très grande
majorité du temps à pleine chauffe. Pour les fours
passant alternativement par des périodes de chauffe
puis des périodes de maintien (ou même de refroidisse-
ment). Le débit thermique des fumées est extr~mement
variable et peu adapté à une récupération optimale de
la chaleur contenue dans ces fumées.
. Production de vapeur: le même problème se pose:
il faudrait, pour une bonne efficacité de récupération,
que la consommation de vapeur soit strictement corrélée
au débit thermique des fumées, ce qui est très rare.
. Préchauffage de l'air de combustion par les
fumées: cette solution est sans aucun doute le plus
efficace, car on peut avoir une corrélation totale
entre débit de fumées et débit d'air de combustion avec,
en outre, des pertes thermiques de transport réduites
au minimum.
Pour obtenir une efficacité optimal, donc un coût
minimal, il faut une circulation méthodique (à contre-courant~
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des deux gaz entre lesquels on souhaite échanger de la chaleur.
Cette circulation à contre courant peut être directe
ou indirect:
SOLUTIONS A CONTRE COURANT DIRECT:
On peut utiliser:
- Des échangeurs métalliques tubulaires à contre
courant réel ou à circulation croisée.
Ces échangeurs présentent l'inconvénient d'un coût
d'investissement très élevé, d'un nettoyage souvent difficile,
d'une grande sensibilité à la corrosion lorsque les fumées sont
corrosives (soufre, vanadium, sels de traitement). Un emballe-
ment du four peut également amener leur destruction par surchauffe
("coup de feu").
- Des échangeurs à tubes de verre à contre courant
réel ou à circulation croisée.
Ces échangeurs résistent généralement bien à la
corrosion mais ils sont fragiles, leur coût d'investissement est
élevé et ils peuvent également être détruits par surchauffe ou
chocs'thermiques. Ils ne sont généralement utilisés qu'en zone
froide d'échangeurs tubulaires métalliques classiques, lorsqu'il
y a un risque de condensation acide des fumées.
- Des échangeurs à plaques métalliques.
Ces échangeurs ont un coût d'investissement modéré,
mais ils ont l'inconvénient d'être sensibles à la corrosion et
très difficiles ~ nettoyer, les interstices entre plaques étant
généralement de l'ordre de quelques millimètres. Leur rendement
tombe rapidement dès qu'ils-s'encrassent. Ils peuvent être
détruits par une surchauffe (emballement d'un brûleur).
ECHANGEURS A CONTRE COURANT INDIRECT:
On peut placer dans cette catégorie: '
les échangeurs rotatifs,
les échangeurs à inversion de cycle.
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- Echangeurs rotatifs:
Ces échangeurs comportent une roue métallique ou
céramique poreuse, telle que la rotation de cette roue amène
alternativement chaque élément de la roue à être traversé,
parallèlement à l'axe de rotation, par le débit de fumée
(chauffage), dans un sens, puis par l'air de combustion (re-
froidissement) dans le sens opposé.
Ces échangeurs atteignent une grande efficacité
d'échange, mais supportent très mal l'encrassement (et nécessi-
tent donc des fumées propres et non corrosives pour les roues
métalliques) et les surchauffes même passagères (les fumées ne
doivent généralement pas dépasser 800C, et les constructeurs
prévoient d'ailleurs une entrée d'air frais éventuelle pour
ramener la température des fumées en dessous de cette limite).
La partie périphérique de la roue s'use généralement assez vite.
Compte tenu de la conception de l'appareil, l'étan-
chéité entre les deux courants gazeux est médiocre. Les fuites
du fluide à réchauffer vers le fluide à refroidir représentent
couramment 5 à 10 % de ce débit, ce qui diminue d'autant le
rendement effectif de l'échangeur.
- Les changeurs à inversion de cycle:
Ces échangeurs comportent deux corps statiques
parallèles, l'un étant à un moment donné en cours de réchauffage
par circulation des fumées dans un sens, et l'autre restituant
sa chaleur contenue, au même moment, au gaz à réchauffer circulant
en sens inverse. On inverse périodiquement la circulation des
fumées et du gaz à réchauffer.
- Echangeurs à inversion de Frankl (pour basses
températures).
Chaque corps comporte des galettes formées de feuillards
métalliques à ondulations biaisées, enroulées en spirale, les
galettes étant séparées les unes des autres par des cales
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réfractaires~
Ce type d'échangeur est utilisé en cryogénie pour la
liquéfaction et la séparation des gaz.
- Echangeurs à masses de briques (pour hautes
températures).
Chaque corps comporte des parois briquetées délimitant
des canaux de circulation des gaz~ Ces corps sont peu sensibles r
à la corrsion et aux surchauffes occasionnelles.
Par contre, leur nettoyage est difficile et nécessite
généralement la destruction de l'échangeur et le coût d'inves- F
tissement est considérable, en raison du faible rapport surface
d'échange/Volume de réfractaire amenant à un volume d'échan-
geur énorme.
La période d'inversion est, pour la meme raison, ex-
trêmement longue (jusqu'à plusieurs heures).
La presente invention s'applique aux transferts de E
chaleur entre deux courants gazeux, ces courants gaæeux presen-
tant les caracteristiques suivantes:
a) les deux courants gazeux sont à des pressions ne
differant pas de plus de 2000 mm CE (soit 200 millibars),
b) le rapport des debits molaires des deux courants
gazeux est compris en moyenne sur quelques minutes, entre 0.8
1.2.
c) on peut admettre un certain melange entre les ;;
deux courants gazeux.
Selon la présente invention, il est prévu un échan-
geur-recuperateur de chaleur permettant de realiser un trans-
fert thermique indirect entre deux fluides gazeux circulant a
contre-courant, comportant deux corps d'echange fonctionnant
alternativement en corps chauffant et en corps chauffé, avec
une période d'inversion tres courte, comprise entre quelques
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secondes et quelques minutes, chaque corps d'échange étant
garni d'au moins un lit d'épaisseur relativement faible de r
particules céramiques de dimensions moyennes comprise entre
5 et 50 millimetres, utilisees couramment dans les colonnes de
rectification ou les tours de lavage de l'industrie chimique.
Cet echangeur-recuperateur est caracterise en ce que les li.ts
de particules ceramiques ont une surface specifique d'echange
au moins egale à 300 mètres carres par metre cube, une porosite
superieure à 50 pour cent, et une perte de charge inferieure a
20 millibars par mètre d'epaisseur pour un courant d'air à
20C traversant ce lit avec un debit de 4500 kg par mètre carre
de lit et par heure, et reposant sur un support metallique ou
ceramique, poreux ou perce de trous, presentant une perte de
charge faible par rapport à celle subie par les gaz dans le lit
de particules refractaires, les courants de circulation des
fluides gazeux etant diriges au moyen d'inverseurs de façon
telle que le fluide gazeux chaud arrive à la partie supérieure
du lit de particules du corps chauffe, et reparte refroidi a
la partie inferieure apres avoir traverse le support du lit de
particules, et que le fluide gazeux arrive froid a la partie
ln~érieure du lit de particules du corps chauffant en traver-
sant le support de ce li.t et reparte rechauffe a la partie
superieure.
Outre ces caracteristiques principales, le lit de par-
ticules ceramiques peut être surmonte par une dalle de refrac-
taire percee de trous, maintenant ce lit de particules, lorsque
l'echangeur est embarque sur un four basculaht dont l'angle de
basculement maximum est superieur à l'angle de talus d'eboule-
ment des particules ceramiques utilisees.
De preference, chaque corps comprote au moins deux
lits superposés de particules ceramiques, le lit inférieur
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etant forme de particules ceramiques resistantes aux acides.
Le support du lit de particules peut être forme par
une grille metallique avec un pourcentage de perforation au
moins égale à 50 pour cent, cette grille metallique etant re-
vetue d'un revetement anti-acid~es.
- La periode d'inversion du sens de circulation
des deux fluides gazeux est de preference optimisee en fonction F
des debits instantanes des fluides gazeux.
- L'echangeur-recupératuer, objet de l'invention,
peut etre applique à la recupération de chaleur dans les fumées
provenant des fours à flamme, de chambres de combustion, de b
chaudières, ces fumees pouvant atteindre des temperatures au
moins egales à 800C à l'entree dans l'echangeur-recuperateur.
Des variantes préferentielles sont décrites ci-
après à titre d'exemple, sans manière limitative,en ayant re-
férence aux dessins, dans lesquels. E
La figure 1 represente une coupe longitudinale de
l'un des deux corps d'echangeur.
La figure 2 represente une coupe horizontale de
l'échangeur-récupérateur.
La figure 3 represente une coupe transversale des
deux corps A et B.
La figure 4 represente, de façon schematique, le ;~
montage d'un récupérateur selon l'invention, sur un four de r
fusion d'aluminium.
La figure 5 represente la forme d'une particules
céramique de type TORUS;
La figure 6 représente une des variantes possibles
au système d'inversion de la circulation des fluides gazeux.
Les figures 7 à 18 montrent schématiquement comment
- s'effectue la circulation des fluides dans les corps A et s.
. ~ '
- 6 -
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L~ ~igure 1 represente une coupe longitudinale de
l'un des deux corps d'un echangeur selon l'invention, les
vannes
, . . ~ . - ,
1~4147
d'inversion étant, à titre d'exemple, placées de façon telle que
les fumées traversent ce corps, fonctionnant en corps chauffé,
du haut vers le bas.
Les fumées sont amenées au corps d'échange par une
carcasse métallique intérieure (1), revêtue intérieurement de
réfractaire isolant (2). L'air de combustion frais arrivant
à l'échangeur circule entre cette carcasse métallique intérieure
(1) et une carcasse métallique extérieure (3).
Un bloc de vannes de distrlbution d'entrée (4) oriente
les fumées vers le corps d'entrée (4) oriente les fumées vers
le corps d'échangeur choisi, tout en coupant l'arrivée d'air de
combustion sur ce corps.
Les fumées pénètrent a~lors dans le corps d'échange (5)
revêtu, en zone chaude au moins, d'un calorifuge (6) et muni à
son point bas d'un robinet de purge (7) permettant l'évacuation
éventuelle de l'eau acidulée provenant de la condensation des
fumées.
Dans l'exemple de réalisation choisi, les fumées
traversent d'abord une dalle de réfractaire (8) percée de trous,
éventuellement divisée en plusieurs éléments juxtaposés, dont
l'objet est de maintenir en place les particules céramiques lors-
que le four sur lequel est monté l'échangeur est un four basculant.
Cette dalle réfractaire n'est, bien entendu, pas
nécessaire lorsque le l'échangeur reste en position statique.
Les fumées traversent ensuite un premier lit de parti-
cules céramiques (9) résistantes à la chaleur, puis un deuxième
lit de particules (10), résistantes aux acides. L'ensemble de
ces deux lits superposés (9) et (10), repose sur une grille
métallique (11), enduite d'un revetement anti-acide, qui est
finalement traversée par les fumées.
Les fumées refroidies sont alors dirigées, par le bloc
de vannes de sortie (12), identique au bloc de vannes (4), vers
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un ventilateur d'extraction non représenté, par l'intermédiaire
d'un distributeur de sortie identique, dans ce cas, au distribu-
teur d'entrée.
La figure 2 représente une coupe horizontale de
l'échangeur-r~cup~rateur au niveau des conduits d'entrée des
fumées et de sortie de l'air surchauffé.
On retrouve une partie des éléments décrits dans la
figure 1, mais s'y ajoutent la cloison centrale (13) séparant les
corps A et B, cette cloison centrale étant recouverte sur les
deux faces d'un r~fractaire isolant (14) dont le but essentiel
est d'éviter une conduction thermique verticale importante par
le biais de cette cloison, et une corrosion de cette cloison par
les fumées.
La figure 3 représente une coupe transversale des
corps A et B de l'échangeur. On y remarque les cornières (16)
qui servent simultanément de support aux grilles ou tôles per-
forées supportant les lits de réfractaire, et de raidisseurs
aux cloisons métalliques verticales.
Le capot (15), optionnel, permet de récupérer l'air
chauffé par les pertes thermiques des corps d'échangeur (pertes
de parois ou pertes par fuites de fluides gazeux chauds) vers
l'extérieur de l'échangeur, pour les diriger vers le ventilateur
d'alimentation en air de combustion, ce qui assure un complément
de récupération thermique.
La figure 4 représente de facon schématique le montage
d'un récupérateur suivant l'invention, sur un four de fusion et
de maintien d'aluminium.
La récupérateur (17) est placé au-dessus de four (18).
Les fumées, sortant par la cheminée (19), sont amenées au
récupérateur par un conduit (20). Après avoir traversé le
récupérateur, les fumées sont extraites par un ventilateur
d'extraction (21), le débit de fumée extrait étant régulé par une
~14g~14~
vanne de tirage (22).
L'air de combustion, légèrement chauffé par les pertes
thermiques de l'échangeur, est capté par la hotte (15) et passe
à travers le ventilateur (23). Son débit est régulé par la vanne
(24). Il traverse le récupérateur et est dirigé vers le brûleur
(25) par un conduit calorifugé (26). Le brûleur est adapté à
l'utilisation d'air surchauffé.
La figure 5 montre une des formes possibles de parti-
cules céramiques utilisée dand l'échangeur, qui est le forme
dite "TORUS".
La figure 6 montre une des variantes possibles du
système d'inversion de la circulation des fluides gazeux.
Dans cette variante, les blocs de vannes (4~ et (12)
figurés sur les figures 1 et 2 sont remplacés par des cLapets
(27) pivotant autour d'axes (28) dont les commandes de rotation
et les paliers sont rejetés à l'extérieur des corps d'échangeurs,
- afin de limiter les pertes thermiques et les fuites de fluides.
L'étanchéité est assurée par des joints souples (29),
ces joints souples étant réfractaires (par exemple feutre réfrac-
taire silico-alumineux) au moins dans la partie supérieure soumise
aux fluides gazeux chauds. Cette disposition limite considéra-
blement les risques de fuites de fluides gazeux vers l'intérieur
ou l'extérieur de l'échangeur.
Les figures 7 ~ 12 montrent schématiquement comment
s'effectue l'inversion de circulation des deux fluides gazeux,
dans un échangeur à vannes coulissantes.
Les figures 7 et 8 montrent quelle est la circulation
des fluides dans les corps A et B au cours d'une demi période
choisie arbitrairement:
. le corps A est traversé du haut vers le bas par le
fluide gazeux à refroidir. Il fonctionne donc en corps chauffé.
. le corps B est traversé du bas vers le haut par le
147
fluide gazeux à réchauffer. Il fonctionne donc en corps chauffant.
Les figures 9 et 10 montrent la circulation des fluides
gazeux dans les corps A et B lors de l'intervalle séparant deux
demi-périodes.
Les corps A et B sont ~ravers~s tous deux du bas vers
le haut par le fluide gazeux à réchauffer afin de balayer et
diluer le fluide gazeux à refroidir contenu auparavant dans le
corps chauffé (c'est-à-dire ie corps A dans l'exemple choisi).
La durée de cette opération est telle que, compte tenu
du débit instantané de fluide gazeux à réchauffer et de son
augmentation de volume massique lors de son rechauffage, le
corps A soit entièrement balayé par le fluide à réchauffer,
pendant cet intervalle de temps.
Les figures 11 et 12 montrent la circulation des fluides
gazeux pendant la demi-période suivant ce "balayage" intermédiaire:
. le corps A rests traversé du bas vers le haut par
; le fluide gazeux à réchauffer. Il fonctionne donc en corps
chauffant.
. le corps B est maintenant traversé du haut vers le
bas par le fluide gazeux à refroidir. Il fonctionne donc en
corps chauffé.
Les figures 13 à 18 représentent la procédure d'inver-
sion de circulation des fluides gazeux, suivant un schéma analogue
à celui des figures 7à 12, pour un échangeur à vannes kivotantes
tel que celui représenté par la figure 6. On remarque que, sur
chaque corps, toutes les vannes pivotent simultanément, dans le
même sens, ce qui permet une synchronisation mécanique facile de
leur mouvement.
Comme indiqué pour les figures 7 à 12, il y a un
déphasage entre le mouvement des vannes sur les corps A et B,
afin d'assurer un balayage du fluide gazeux à refroidir par le
fluide gazeux à réchauffer, lors de l'inversion des sens de
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circulation.
On peut avantageusement utiliser pour le remplissage
des corps d'échange les particules céramiques bien connues en
Génie Chimique pour le garnissage des colonnes de rectification:
Selles Intalox, Selles Torus, Selles de Berl, Anneaux Raschig,
Anneaux Pall, etc.) telles qu'on les décrit, en particulier dans
l'ouvrage "Techniques de l'Ingénieur", Section Génie Chimique
(J - Tome 2) édition 1965 page J-2626-1, ou dans dlfférents
traités de Génie Chimique consacrés ~ la distillation-rectifica-
tion.
Ces particules réfractaires reposent sur une tôle
métallique percée de trous et présentant une proportion de vide
d'au moins 50% ou sur une structure céramique en "nid d'abeille"
également bien connue en Géniechimique~ou sur un grillagè
métallique, ou sur une grille en métal déployé.
. On remarque que ce support se trouve sur la face
froide du lit de particules céramiques, ce qui lui assure une
bonne tenue mécanique.
EXEMPLE DE REALISATION:
Dans un exemple de réalisation, l'échangeur suivant
l'invention est monté sur un four basculant de fusion et de
maintien d'aluminium, de capacité 27 tonnes de métal contenu,
alimenté par deux brûleurs de puissance unitaire 500 thermies
par heure en air froid.
L'échangeur comporte deux corps garnis chacun d'un lit
de selles "TORUS" de 1/2 pouce (12-13 mm), de densité apparente
685 kg/m3, de porosité 71% et de surface d'échange 620 m2/m3.
Chaque lit a une surface de 0.45 m2 et une épaisseur
de 160 mm, et comporte 50 kg de particules céramiques.
La surface d'échange est donc d'environ 45 mètres
carrés par corps.
Il repose sur une grille en métal déployé renforcé par
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des cornières métalliques.
Il est surmonté d'une dalle réfractaire d'épaisseur
50 mm, percée de trous de 50 mm de diamètre, écartés de 60 mm
selon un réseau hexagonal, A pleine chauffe, le débit de fumées
est de 1720 kg/heure, leur température est de 1000C environ au
niveau de la cheminée du four.
Les fumées sont captées au niveau de la cheminée par
un conduit les amenant à l'entrée de l'échangeur, où elles
pénètrent à une température supérieure à 975C.
Après avoir traversé le lit de particules céramiques,
la température de ces fumées est tombée à 200C environ (tempéra-
ture moyenne supérieure au point de rosée acide des fumées.
Cependant, en régime continu, cette température augmente continue-
ment de 150C en début de chauffage à 250C en fin de chauffage.
I1 y a donc un risque que les fumées sortent à une température
inférieure à leur point de rosée acide. Ce risque est accentué
lors du démarrage de l'installation).
La traversée du lit de particules déramiques a provoqué
une perte de charge de 200 mm CE (soit 20 mbars) environ, raison
pour laquelle il a été nécessaire d'installer un ventilateur
d'extraction de ces fumées à la sortie de l'échangeur.
La demi-période d'inversion ayant été choisie égale à
10 secondes à pleine chauffe, on constate que:
a) en un point donné du lit de particules, la tempéra-
ture d'une particule céramique oscille de -50C (en début de
chauffe) à +50C (en fin de chauffe) autour de sa température
moyenne,
b) le gradient vertical de température dans le lit de
particules est de l'order de 50 C/cm, dans ces conditions, le
flux thermique vertical par conduction entre face chaude et face
froide du lit, qui dégrade l'efficacité de l'échangeur, reste
inférieur à 1% de la chaleur échangée entre gaz et particules
1144147
céramiques, ce qui est très acceptable,
c) la chaleur récupérée sur les fumées atteint 350
thermies par heure. Les pertes thermiques de l'échangeur (pertes
de parois, fuites), étant de l'order de 35 thermies par heure,
1'air de combustion absorbe environ 315 thermies par heure, ce
qui permet de porter sa température de 20 à 800C environ.
A débit de gaz naturel constant, égal à 115 Normo-mètres
cubes par heure, la puissance introduite dans le four passe donc
de 1000 à 1315 thermies par heure.
A puissance introduite dans le four constante, égale
à 1000 thermies par heure, le débit de gaz naturel nécessaire est
ramené de 115 Normo-mètres cubes par heure à 87 Normo-mètres
cubes par heure, soit une économie de 24%. Dans le même temps,
le débit de fumées est ramené de 1720 à 1300 kg/heure.
Ceci entraine une diminution de la perte de charge
subie par les fumées lors de leur traversée du ou des lits de
particules céramiques, qui tombe à une valeur inférieure ou égale
à 12 millibars.
La demi-période optimale d'inversion passe parallèle-
ment de 10 à 13 secondes.
Parallèlement, la flamme des brûleurs est raccourcieet sa radiance augmente, ce qui permet d'améliorer le transfert
thermique de la flamme vers la charge.
On constate également qu'un déréglage de brûleur,
caractérisé par un excès d'air de combustion très important, se
traduit par une surconsommation de gaz beaucoup plus faible avec
récupérateur que sans récupérateur.
En effet, la chaleur supplémentaire emportée par les
fumées du fait de cet excès d'air, est en grande partie récupérée
pour le préchauffage de ce même excès d'air.
C'est ainsi qu'avec le récupérateur cité ci-dessus, un
excès d'air de 100% ne se traduit que par une surconsommation de
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gaz naturel de 10%, alors que cette surconsommation aurait été
de 75% sand récupérateur.
Lorsque la puissance instantanée nécessaire est infé-
fieure à la puissance maximale installée, on fait varier propor-
tionnellement:
- le débit de gaz naturel,
- le débit d'air de combustion injecté,
- le débit de fumées extraites.
On note que les organes de régulation des débits, bien
connus de l'homme de l'art, sont situés dans les zones où les
gaz qui circulent sont froids (entre ventilateur d'alimentation
et échangeur pour l'air de combustion) ou refroidis (entre
échangeur et ventilateur d'extraction pour les fumées).
Les pertes de charge des gaz à la traversée du lit de
particules céramiques diminuent comme les carrés des débits.
La période d'inversion est ajustée, proportionnellement
à l'inverse des débits de fumée et d'air de combustion, de façon
à maintenir un taux de mélange Air-fumées, limité. Cet ajustement
peut se faire par tout système électrique ou électronique à
partir de capteurs de température et de débit.
L'efficacité de l'échangeur reste constante. Dans le
cas cité, elle est comprise entre 70 et 80%.
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