Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2 ~ cJ ,. .l
L'invention concerne un procédé et un appareil de
chauffage d'un flux de fluide gazeux, tel en particulier que de
l'air.
La production de gaz et en particulier d'air chaud
à haute température (pouvant être estimée a priori entre 350 et
450C) avec un débit important (par exemple de l'ordre de 10000
à 30 000 Nm3.H) est actuellement fréquemment réalisée par
un certain nombre d'appareils existants et notamment :
- par chauffage direct d'un flux d'air par des
produits de combustion gazeux produits à partir d'un brûleur à
gaz, le flux d'air et les produits de combustion entrant en
contact et se mélangeant,
- par réchauffage indirect de l'air au moyen de
résistances électriques,
- par réchauffage indirect d'air via un échange
thermique avec un ou plusieurs fluide(s) caloporteur(s)
chauff~s) au gaz ou au fuel.
Il est toutefois apparu que ces différents systèmes
existants présentaient un certain nombre d'inconvénients.
Tout d'abord, le chauffage direct d'un flux d'air
au contact de produits de combustion gazeux est proscrit pour
la fabrication de produits diététiques ou pharmaceutiques,
compte-tenu de la nature des gaz produits par le mélange des
produits de combustion et de l'air à réchauffer.
Les réchauffeurs à résistances électriques ne
peuvent être économiquement utilisés qu'environ six mois par
an, étant donné le coût élevé de l'énergie électrique pendant
les six mois les plus froids de l'année.
Quant aux réchauffeurs indirects qui fonctionnent
par échange thermique sans contact direct entre des produits de
combustion et le fluide à réchauffer, s'il constituent les
` 2 ~ J~,LI~
seuls appareils (avec les réchauffeurs électriques) qui
permettent de réchauffer indirectement de l'air à une
température supérieure à environ 300C, ils présentent malgré
tout certains inconvénients parmi lesquels on peut
noter :
- l'utilisation de parois en matériau refractaire
qui se détériorent assez rapidement par suite des écarts de
régime et des remises en route successives imposés à l'appareil
;
- l'utilisation également d'aciers spéciaux au
niveau de l'étage d'echange entre les produits de combustion
sortant du brûleur et l'air à réchauffer, l'utilisation de tels
aciers spéciaux n'empêchant pas malgré tout, dans la pratique,
de fréquentes fissurations des parois des echangeurs, étant
donné la valeur élevée du gradient thermique air/produits de
combustion.
On peut enfin noter l'existence de pertes de charge
importantes consécutives à la compacité recherchée de ces
échangeurs.
Pour remedier à ces imperfections des appareils
connus, l'invention propose un nouveau type de système de
chauffage permettant d'accroitre le rendement de l'appareil
notamment en réduisant les écarts de température entre les
produits chauffants et les produits chauffés, à chaque échange
thermique, et en proposant un système très étudie de
recupération des calories permettant de réaliser un appareil de
chauffage performant,souple d'utilisation, fiable et moins
onéreux que les appareils existants.
A cette fin, le procédé de chauffage de
l'invention, qui est donc destiné à assurer le chauffage de
flux de fluide gazeux, se caractérise en ce que :
a) on fait tout d'abord subir au flux de fluide en
question un premier échange thermique avec des produits de
combustion ayant une température superieure à celle dudit flux
de fluide,
2~ J !1 ,~J'
b) on fait ensuite subir au flux de fluide un
second échange thermique avec un fluide caloporteur,
c) puis, on fait subir au flux de fluide un
troisième échange thermique avec lesdits produits de combustion
avant que ces derniers soient utilisés lors du premier échange
thermique.
Selon une caractéristique complémentaire de
l'invention, on préférera dans la pratique, pour réaliser le
troisième échange thermique,
- transférer par rayonnement l'énergie calorifique
contenue dans les produits de combustion,
- faire absorber l'énergie ainsi rayonnée par des
surfaces de convection,
- et chauffer alors essentiellement par convection
ledit flux de fluide que l'on fera alors avantageusement
circuler au contact desdites surfaces de convection.
Conformément à une caractéristique complémentaire
de l'invention, il est même apparu a priori préférable de
réaliser un échange thermigue supplémentaire entre le flux de
fluide sortant de l'échange thermique effectué suivant l'étape
b) susmentionnee et le flux de fluide subissant l'échange
thermique suivant l'étape c), en faisant alors essentiellement
circuler le flux de fluide sortant de l'échange effectué
suivant ladite étape b) autour et au contact de parois
thermiquement conductrices limitant extérieurement un volume
intérieur dans lequel est mené l'échange thermique suivant
l'étape c).
Comme mentionné en tête de la présente description,
l'invention se rapporte également à un appareil de chauffage
pour flux de fluide gazeux, tel que de l'air, cet appareil se
caractérisant dans l'invention en ce qu'il comprend :
- un premier échangeur de chaleur présentant un
volume intérieur à travers lequel serpente une canalisation de
recyclage où circulent des produits de combustion pour un
échange thermique avec le flux de fluide à chauffer,
`` 2~2~'5~
- un second échangeur de chaleur présentant un
volume intérieur en communication fluide avec le volume
intérieur dudit premier échangeur et a travers lequel circule
au moins une conduite pour fluide caloporteur, pour un échange
thermique avec le flux de fluide gazeux en circulation dans ce
second échangeur,
- et un troisieme échangeur de chaleur présentant
également un volume intérieur, en communication fluide d'un
côté avec le volume dudit second échangeur et, d'un autre côté,
avec une conduite de récupexation du fluide gazeux chauffé, au
moins un tube, prévu pour la circulation de produits de
combustion en échange thermique avec ledit flux de fluide
gazeux circulant dans le troisième échangeur, serpentant dans
le volume intérieur de ce dernier et étant raccordé à ladite
canalisation de recyclage des produits de combustion.
Les caractéristiques de l'invention qui viennent
d'être presentées, ainsi que d'autres caractéristiques
complémentaires, apparaîtront de façon plus détaillée de la
description qui va suivre faite en relation avec les dessins
annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans
lesquels :
la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un
mode possible de réalisation de l'appareil de chauffage de
l'invention,
et la figure 2 illustre schématiquement un détail
de réalisation d'une partie intérieure du troisième échangeur.
Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, on
voit donc illustré un appareil de chauffage pour fluide gazeux,
repéré 1.
L'appareil 1 comprend trois enceintes successives -
formant échangeurs de chaleur 3, 5, 7 et disposées en série, à
la suite les unes des autres.
Tel qu'illustré, le premier échangeur 3 comprend
une enceinte à parois 6 pouvant être métalliques définissant
une chambre avec un volume intérieur 8 dans lequel débouche, à
2 ~
une extrémité, une tubulure d'entrée g pour l'admission du flux
de fluide à chauffer (tel que de l'air).
A l'intérieur de la chambre 8 serpente au moins une
canalisation de recyclage 11 pouvant présenter des ailettes
d'échange 12 et dans laquelle il est prévu de faire circuler
des produits de combustion gazeux en vue d'un échange thermique
indirect avec le flux de fluide traversant le volume 8, et
avant que ces mêmes produits de combustion soient évacués hors
de l'échangeur 3, via la tubulure de récupération 13 à laquelle
10 est raccordée la canalisation 11.
Sensiblement à l'opposé de la tubulure d'entrée de
fluide 9, la chambre intérieure du premier échangeur 3 est
raccordee, par l'intermédiaire d'une tubulure de raccordement
17, a une extrémité du volume intérieur 15 du second échangeur
15 5, de façon à assurer l'alimentation de cet échangeur en fluide
gazeux préchauffé.
Cet échangeur 5 peut être notamment réalisé de
façon que sa chambre intérieure 15 soit limitée par des parois
métalliques 19 recouvertes extérieurement d'une gaine
20 thermiquement isolante 21.
A l'intérieur de la chambre 15 est disposée une
batterie d'échange thermique 23 comprenant plusieurs tubes
(éventuellement à ailettes) 25 s'étendant sensiblement
perpendiculairement à la direction de circulation du fluide
25 gazeux dans la chambre 15 (direction matérialisée par la flèche
27). Ces différents tubes 25 sont raccordés vers leurs deux
extrémités opposées à deux collecteurs 29, 31. Au collecteur
d'entrée 29 est reliée une conduite 33 d'alimentation en fluide
caloporteur. En tant que fluide caloporteur ou fluide
30 thermique, on pourra notamment prévoir d'utiliser de la vapeur
d'eau ou d'huile de synthèse. Dans ce cas, il sera préférable
de raccorder le collecteur 31 à une conduite 35 d'évacuation
des condensats de vapeur, une vanne de purge 36 permettant
avantageusement de réguler l'évacuation de ces condensats.
De façon à obtenir également une régulation du
débit de fluide thermique admis dans la batterie d'échange 23,
2 ~ ? rl ,r 11
il est apparu préférable de disposer sur la conduite
d'admission 33 une vanne de régulation 38.
Vers son extrémité opposée à la tubulure 17, la
chambre 15 communique avec le volume intérieur du troisieme
échangeur thermique 7, par l'intermédiaire d'un canal de
raccordement 37 débouchant, d'un côté, en partie inférieure de
la chambre 15 et, de l'autre, en partie supérieure du volume
intérieur du troisième échangeur 7.
Comme cela est clairement illustré toujours sur la
figure 1, le volume intérieur de cet échangeur 7 est divisé en
une large chambre intér.ieure 39 limitée extérieurement par des
parois 41 thermiquement conductrices (notamment métalliques),
elles-mêmes disposées à une certaine distance d'une enceinte
extérieure ther~iquement isolée 43.
En pratique, le canal de raccordement 37 entre les
échangeurs 5 et 7 traversera localement et en partie supérieure
l'enceinte 43 pour déboucher à une extrémité de l'espace 45
dont la largeur 1 sera suffisante pour assurer une circulation
correcte du flux de fluide autour et au contact des parois
extérieures conductrices 41 de la chambre intérieure 39.
Sensiblement à l'opposé de la tubulure de
raccordement 37, et de préférence en partie basse, la chambre
39 communique avec l'espace 45 par un orifice de communication
47, de facon que le fluide gazeux qui a circulé dans cet espace
45 puisse pénétrer à l'intérieur de la chambre 39 pour y subir :
un nouvel échange thermique avec des produits de combustion
circulant à l'intérieur de tubes d'échange 51 reliés, en amont
à des brûleurs 53 pouvant notamment être alimentés en gaz
combustible et en air comburant.
Afin de limiter les problèmes liés à un
fonctionnement défectueux d'un brûleur, il a été prévu dans
l'invention d'utiliser de préférence plusieurs tubes d'echange
51 chacun relié, à l'extérieur mais à proximité immédiate de
l'enceinte 43, à un brûleur 53.
En tant que tubes d'échange 51, on utilisera de
préférence des tubes radiants, par exemple des tubes en U
J ,.? ~,
s'étendant largement dans la chambre intérieur 39 avant d'etre
raccordés, en traversant l'enceinte 43, chacun à une
canalisation de récuperation 55 prévue pour recycler les
produits de combustion issus du troisième échangeur 7 vers la
5 canalisation 11 du premier échangeu:r 3.
Sur la figure 1, on remarquera encore que pour
assurer l'évacuation et la récupération du flux gazeux chauffé
dans le troisième échangeur 7, la chambre 39 est raccordée
localement et de préférence en partie haute, à une conduite de
récupération 57. Avantageusement, cette conduite 57 se
raccordera à la chambre 39 en un endroit susceptible de
favoriser une circulation du fluide gazeux à y réchauffer qui
soit globalement orientée dans une direction transversale par
rapport à celle dans laquelle s'étendent les tubes 51 lesquels
seront alors de préférence disposés sensiblement parallelement
les uns aux autres.
Pour favoriser cette circulation du fluide à
réchauffer, la chambre 39 pourra en outre être équipée, au
niveau du raccordement de la conduite 57, d'un déflecteur 59.
A cet ensemble, il est encore apparu utile
d'adjoindre un système de régulation constitué par une sonde
thermique 61 en prise sur la canalisation de sortie "d'air" 57
et reliée à un régulateur 63 susceptible d'agir d'une part sur
la vanne automatique 39 de réglage du débit de fluide thermique
à travers la conduite 33 et, d'autre part, sur une autre vanne
automatique 65 de réglage du débit d'alimentation, par exemple
en gaz combustible, des brûleurs 53.
Une caractéristique importante de l'invention
résidant dans la conception du troisième échangeur thermique 7,
une attention particulière a en outre été apportée à la
réalisation de celui-ci et notamment à la configuration des
tubes radiants 51.
Bien entendu, ces derniers pourront être réalisés
avec des ailettes d'échange thermique, telles que figurées en
67 sur la figure 1, ces ailettes s'étendant alors de préférence
:
transversalement par rapport à la direction générale (figurée
en 69) du flux de fluide gazeux à l'intérieur de la chambre 39.
Toutefois, sur la figure 2, on a illustré
schématiquement en vue perspective avec arrachement la chambre
39 dans laquelle sont disposés des tubes radiants 51l coudés
s'étendant sensiblement parallèlement sur toute la longueur de
la chambre. Ces tubes radiants 51', qui pourront être à surface
de rayonnement métallique, sont en l'espèce dépourvus
d'ailette. Par contre, entre deux tubes consécutifs et à
distance de chacun d'eux, sont prévus des moyens de convection
par exemple en forme de plaques 71 à surfaces métalliques de
convection, propres à absorber l'énergie rayonnée par les tubes
de façon à chauffer en particulier par convection au contact de
ces plaques le fluide (schématise par la double flèche 73)
lequel est toujours admis dans la chambre 39 à travers
l'orifice 47.
De préférence, les plaques de convection 71 seront
équipées sur leurs deux faces opposées d'ailettes d'echange
thermique 75 s'étendant avantageusement transversalement par
rapport à la direction dans laquelle une circulation du fluide
est favorisée à l'intérieur de la chambre 39.
Il est à noter que, tel qu'illustré sur la figure
2, les plaques 71 seront de préférence disposées de façon à
constituer les unes par rapport aux autres des chicanes
allongeant le trajet du fluide à l'intérieur de la chambre 39
et favorisant son brassage, le fluide venant ainsi récupérer
les calories concentrées autour des plaques, entre les ailettes
75~ lesquelles pourront être notamment métalliques.
Bien entendu, d'autres types de surfaces de
convection structurellement différentes des plaques 71
pourraient être envisagées, sans sortir du cadre de
l'invention.
on va maintenant décrire brièvement le principe de
fonctionnement de l'appareil qui a été décrit ci-dessus.
Ce fonctionnement est le suivant :
Le fluide gazeux à chauffer, par exemple de l'air,
est tout d'abord introduit dans le premier échangeur 3 par la
tubulure d'admission 9. Ce fluide qui peut par exemple être
admis à la température ambiante de 25C se réchauffe au contact
du serpentin formé par la canalisation transversale 11 à
l'intérieur de laquelle circulent donc les produits de
combustion émanant des brûleurs 53, après que ces produits
aient perdus une partie de leurs calories par échange thermique
dans le troisieme échangeur 7.
Tandis que ces mêmes produits de combustion sont
évacués via la conduite de récuperation 13, le courant de
fluide passe de la chambre 8 du premier échangeur à la chambre
15 du deuxième échangeur 5 où il est à nouveau échauffé par
échange thermique indirect a travers essentiellement les parois
d'echange de la batterie de tubes 25 à l'intérieur desquels
circule donc un fluide thermique vaporisé, tel que par exemple
de la vapeur d'eau pouvant être admise sous une pression de
l'ordre de 10 à 15 bars et avec une temperature de l'ordre de
230 à 260C.
De cette façon, le fluide gazeux qui entre dans le
second échangeur 5 par exemple à une température de 60 à 80C
peut en sortir à 180 voire 200C, voire éventuellement plus, le
gradient thermique de chauffe pouvant être adapté grâce au
régulateur 63 lequel sera de préférence programmé afin que les
variations de débits calorifiques soient en priorité absorbées
par le fluide thermique vaporisé, permettant ainsi de réduire
au minimum les brusques variations thermiques au niveau des
brûleurs 53 et des tubes radiants 51 du troisième échangeur 7.
Sortant du second échangeur 5, le flux de fluide,
déjà échauffé par deux échanges thermiques successifs est
ensuite admis dans l'espace périphérique 45 du troisième
échangeur 7.
Compte-tenu de l'emplacement de l'orifice 47
d'accès à la chambre intérieure 39 de ce troisième échangeur 7,
le fluide à chauffer va donc tout d'abord circuler
essentiellement au contact des parois extérieures thermiquement
,sJ ~
conductrices de cette chambre 39, récupérant ainsi en
particulier par convection une partie des calories contenues
dans la chambre 39 et dégagées via la paroi 41 de cette
dernière, soit par le courant de fluide en circulation, soit
par les tubes radiants 51 ou 51' et/ou par les plaques de
convection 71 et leurs ailettes 75 (voir figure 2).
Toutefois, l'essentiel de l'échange thermique
conduit à l'intérieur du troisième échangeur 7 s'effectuera à
l'intérieur de la chambre 39, lorsque le flux de fluide viendra
circuler dans l'environnement immédiat des tubes 51 (ou 51') à
travers lesquels pourra être transférée, par rayonnement,
l'énergie calorifique contenue dans les produits de combustion
sortant juste des brûleurs 53 (habituellement à une température
d'environ 800 a 1200C).
Par la prévision des plaques de convection 71 (de
préférence à ailettes) l'énergie ainsi rayonnée pourra être
absorbée puis restituée au fluide lequel sera ainsi chauffé
dans la chambre 39 par convection en circulant au contact des
surfaces de convection prévues à cet effet, avant d'être évacué
à une température pouvant être estimée en règle générale entre
350 et 450C, via la conduite de récupération 57 où le capteur
thermique 61 permettra au régulateur 63 de doser
l'alimentation, d'une part en fluide thermique vaporisé du
second échangeur 5 et d'autre part en combustible des brûleurs
53, via respectivement les vannes 38 et 65, avec de préférence
priorité au circuit "vapeur" de l'échangeur 5.
On notera qu'avec un tel procédé de chauffage, sans
contact direct entre le fluide gazeux à chauffer et les fluides
caloporteurs de chauffage, on pourra délivrer en sortie de
l'appareil un fluide chaud à haute température exempt de
pollution pouvant être par exemple utilisé dans l'industrie
agro-alimentaire ou pharmaceutique notamment pour le séchage de
produits ou encore pour des traitements thermiques divers.
