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Echan~eur de chaleur à encombrement réduit
L'invention concerne un échangeur de chaleur destiné notamment à être
installé dans un lit dense fluidisé externe équipant un foyer à lit fluidisé circulant.
Un tel échangeur de chaleur comporte classiquement un collecteur
d'entrée d'un fluide et un collecteur de sortie du fluide raccordés entre eux par au
moins un groupe de tubes s'étendant en zigzag dans un plan vertical entre le
collecteur d'entrée et le collecteur de sortie. Les zigzags définissent des épingles
à cheveux ayant des branches adjacentes qui sont inclinées l'une par rapport à
10 I'autre (de l'ordre de 8 à 15~) en laissant un certain espace libre entre elles. Cette
inclinaison est nécessaire pour obtenir une circulation naturelle des bulles de
vapeur du fluide dans les tubes.
Les installations de grande puissance nécessitent des surfaces
d'échange thermique relativement grandes. Ceci conduit à multiplier les
15 échangeurs de chaleur ou à prévoir un échangeur de chaleur de grandes
dimensions dont la conception est gouvernée par l'écoulement transversal des
solides.
Le but de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur à
encornbrement réduit, c'est à dire un échangeur de chaleur de dimensions
2 0 analogues aux échangeurs du type à tubes en zigzag mais présentant une
surface d'échange thermique plus importante.
A cet effet, I'ir~vention a pour objet un échangeur de chaleur, caractérisé
en ce qu'il comporte au moins un premier groupe de tubes s'étendant dans un
plan vertical et formant un premier panneau de tubes pour raccorder un premier
~5 collecteur d'entrée d'un fluide disposé en partie basse latérale d'un caisson à un
collecteur de sortie disposé en partie haute centrale d'un caisson, au moins un
second groupe de tubes s'étendant dans ledit plan vertical et formant un second
panneau de tubes pour raccorder un second collecteur d'entree du fluide disposé
en partie basse latérale du caisson au collecteur de sortie, en ce que le premier
3 o panneau de tubes et le second panneau de tubes comportent chacun des
premiers tubes qui s'étendent sensiblement horizontalement et parallèlement les
uns aux autres dans la partie basse du caisson, des seconds tubes qui sont
raccordés par des bifurcations multiples aux premiers tubes et qui s'étendent
sensiblement verticalement et parallèlement les uns aux autres entre la partie
3 5 basse du caisson et la partie médiane du caisson, et des troisièmes tubes
coud~s qui sont raccordés par des bifurcations multiples aux seconds tubes et
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qui s'étendent parallèlement les uns aux autres entre la partie médiane du
caisson et la partie haute du caisson où ils sont raccordés au collecteur de sortie,
les troisièmes tubes du premier panneau de tubes et les troisiemes tubes du
second panneau de tubes étant disposés de manière à former un canal
5 d'écoulement des solides ayant une section transversale en forme de O, et en ce
que lesdits premier et second panneaux de tubes sont rigidifiés dans leur partiebasse par des ailettes continues disposées entre les tubes adjacents.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le premier et le
second panneau de tubes comportent un nombre différent de tubes de telle sorte
10 que c:es deux panneaux se juxtaposent dans ledit plan vertical suivant une ligne
verticale décalée par rapport à une médiane verticale du caisson.
Selon encore un mode de réalisation particulier de l'invention,
I'échangeur comprend un premier ensemble de premiers et de seconds
panneaux de tubes disposés en alternance dans des plans verticaux paralleles
15 et raccordant le premier collecteur d'entrée au collecteur de sortie et un second
ensemble de premiers et de seconds panneaux de tubes disposés en alternance
dans des plans verticaux parallèles et raccordant le second collecteur d'entrée
au collecteur de sortie, les panneaux de tubes du premier ensemble de
panneaux de tubes étant en outre disposés en quinconce avec les panneaux de
20 tubes du second ensemble de panneaux de tubes de telle sorte qu'un panneau
de tubes du premier ensemble de panneaux de tubes ayant un petit nombre de
tube est juxtaposé a un panneau de tubes du second ensemble de panneaux de
tubes ayant un plus grand nombre de tubes, et il est prévu en outre un système
d'accrochage pour solidariser dans leur partie basse les panneaux de tubes des
25 deux ensembles de panneaux de tubes ayant un plus grand nombre de tubes.
Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après plus en détail
en relation avec les dessins.
La figure 1 montre schématiquement l'échangeur selon l'invention monté
dans un lit fluidisé.
La figure 2 est une vue très schématique en coupe selon ll-ll de
I'échangeur de la figure 1 équipé de plusieurs panneaux de tubes.
Figure 1, on a représenté tres schématiquement en coupe transversale,
une partie d'un lit fluidisé dense et plus précisément un caisson 1 constitué d'une
tôle nnétallique renforcée de raidisseurs et d'une couche de béton interne, ce
35 caisson définissant une chambre 2 dans laquelle se déversent et s'écoulent les
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solides apres leur passage au-dessus d'un muret en aval d'une chambre de
réception de ces solides.
La chambre 2 est normalement équipée d'une boîte inférieure
d'alirnentation en air de fluidisation (non représentée), de buses d'injection d'air
5 de fluidisation (non représentées) qui sont disposées dans la paroi inférieure 2A
de la chambre 2. Un échangeur de chaleur 3 selon l'invention est montré installéà l'intérieur de la chambre 2
L'échangeur de chaleur 3 comprend un ensemble de tubes destinés à
véhiculer un fluide caloporteur, par exemple de la vapeur, entre deux collecteurs
10 d'enl:rée 4A,4B du fluide F disposés en partie basse latérale du caisson et un
collecteur de sortie 5 du fluide chauffé disposé en partie haute centrale du
caisson. C'est dans la chambre 2 qu'à lieu la fluidisation dense des solides
pernrlettant le réchauffement du fluide dans les tubes de l'échangeur de chaleur.
Les collecteurs d'entrée 4A et 4B sont constitués chacun d'un tube
15 s'étendant horizontalement le long du côté latéral extérieur du caisson 1,
respectivement à gauche pour le collecteur 4A et à droite pour le collecteur 4B
sur 1..3 figure 1.
Le collecteur de sortie 5 est constitué d'un tube s'étendant
horiz:ontalement au niveau de la partie haute centrale de la chambre 2 et plus
20 précisément sous la paroi supérieure 2B de la chambre 2. Ce collecteur de sortie
5 esl: raccordé à une tubulure 6 qui traverse la paroi supérieure 2B par une fente
7. Lc3 tubulure 6 est enrobée de béton 8 garnissant la fente 7 de sorte que le
collecteur de sortie 5 est suspendu à la paroi supérieure 2B de la chambre 2.
L'échangeur de chaleur 3, proprement dit, comporte un premier groupe
25 de tubes s'étendant dans un plan vertical et formant un premier panneau 3A detubes qui raccordent le premier collecteur d'entrée 4A au collecteur de sortie 5 et
un second groupe de tubes s'étendant dans le même plan vertical et formant un
second panneau 3B de tubes qui raccordent le second collecteur d'entrée 4B au
collecteur de sortie 5.
Comme visible sur la figure 1, chaque panneau 3A ou 3B de tubes
comportent des premiers tubes tels que 31 qui s'étendent sensiblement
horizontalement et parallèlement les uns aux autres dans la partie basse du
caisson. Ces tubes 31 traversent une paroi latérale du caisson par une fente
garnie de béton, respectivement la paroi de gauche sur la figure 1 pour les tubes
31 du panneau 3A et la paroi de droite sur la figure 1 pour les tubes 31 du
panrleau 3B.
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Chaque panneau de tubes 3A,3B comporte également des seconds
tubes tels que 32 qui sont raccordés par des bifurcations multiples telles que 33
aux premiers tubes du panneau considéré et qui s'étendent sensiblement
verticalement et parallèlement les uns aux autres entre la partie basse du
5 caisson et la partie médiane du caisson.
Chaque panneau de tubes 3A,3B comporte encore des troisièmes tubes
coudés en forme de C tels que 34 qui sont raccordés par des bifurcations
multiples telles que 35 aux seconds tubes du panneau considéré et qui
s'étendent parallèlement les uns aux autres entre la partie médiane du caisson et
10 la partie haute du caisson où ils sont raccordés au collecteur de sortie 5. Le
cintrage des tubes 34 définit le profil du lit dense fluidisé et plus particulièrement
les tubes 34 du premier panneau 3A et du second panneau 3B forment un canal
d'écoulement des solides dont la section transversale est en forme de O ce qui
facilite le transit de ces solides en flux transversal du fait que ceux-ci ne
15 rencontrent presque pas d'obstacles.
On voit sur la figure 1 que les tubes 31 et 32 sont relativement proches
les uns-des autres et forment une surface d'échange thermique dans le bas du
caisson qui est relativement continue dans le plan vertical tout en permettant une
certaiine mobilité des solides entre les tubes adjacents. Cette disposition permet
2 o donc d'obtenir une surface d'échange thermique assez importante pour un
encombrement relativement réduit. Bien que l'échangeur comporte des tubes
horizontaux comme les tubes 31, on obtient néanmoins une bonne circulation du
fluide caloporteur dans l'échangeur grâce aux tubes verticaux 32 qui contribuentau bon fonctionnement de l'alimentation en circulation naturelle.
Chaque panneau de tubes est rigidifié dans sa partie basse au niveau
des tubes 31 et dans le bas des tubes 32 à l'aide d'ailettes continues 36
disposées entre tubes adjacents, ces ailettes 36 étant représentées par des
hachures sur la figure 1.
Dans le bas de l'échangeur 3, les tubes 31 du panneau 3A sont
30 raccordés au collecteur d'entrée 4A par l'intermédiaire d'une tubulure 9A en
forme de collecteur qui s'étend verticalement et les tubes 31 du panneau 3B sontraccordés au collecteur d'entrée 4B par l'intermédiaire d'une autre tubulure 9B
en forme de collecteur qui s'étend verticalement.
Par ailleurs, dans le haut de l'échangeur 3, les tubes 34 du panneau 3A
35 sont raccordés au collecteur de sortie 5 par l'intermediaire d'une autre tubulure
1 OA en forme de bouteille qui s'étend horizontalement et les tubes 34 du
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panneau 3B sont raccordés aussi au collecteur de sortie 5 par l'intermédiaire
d'une autre tubulure 1 OB en forme de bouteille qui s'étend horizontalement.
La disposition des tubes de l'échangeur comme indiquée ci-dessus
pern-let de concevoir une configuration d'échangeur avec plusieurs premiers et
5 seconds panneaux de tubes de sorte à multiplier la surface d'échange thermique sans augmenter considérablement l'encombrement de l'échangeur.
Sur la figure 1, on a représenté des panneaux 3A et 3B qui comportent
un nombre différent de tubes 31 (ou 32,34), dans l'exemple, 7 tubes 31 pour le
panneau 3A et 5 tubes 31 pour le panneau 3B. Suivant cette realisation, les deux10 panneaux 3A et 3B se juxtaposent dans le plan vertical suivant une ligne
verticale en C décalée par rapport à une médiane verticale 11 du caisson. Une
telle disposition facilite le montage de plusieurs panneaux 3A et 3B dans le
caisson .
La figure 2 montre très schématiquement suivant une coupe ll-ll du
15 caisson sur la figure 1, une configuration d'un échangeur de chaleur selon
l'invention comportant plusieurs panneaux 3A et 3B. On voit que plusieurs
pannea~x 3A et 3B sont intercalés dans la direction longitudinale du caisson.
Plus particulièrement, cette configuration comprend un premier
ensemble de panneaux de tubes 3A et 3B disposés, à gauche sur la figure 2, en
20 altemance (c'est-à-dire alternativement un panneau 3A et un panneau 3B) dans
des plans verticaux parallèles. Ce premier ensemble de panneaux de tubes
3A,313 raccorde le collecteur d'entrée 4A au collecteur de sortie 5. La
configuration comprend un second ensemble de panneaux de tubes 3A et 3B
disposés, à droite sur la figure 2, en alternance dans des plans verticaux
2 5 parallèles. Ce second ensemble de panneaux de tubes 3A,3B raccorde le
second collecteur d'entrée 4B au collecteur de sortie 5.
Comme visible sur la figure 2, les panneaux 3A,3B du premier ensemble
de panneaux sont disposés en quinconce avec les panneaux 3A,3B du second
ensemble de panneaux de telle sorte qu'un panneau de tubes du premier
30 ensemble ayant un petit nombre de tubes, c'est-à-dire un panneau 3B, est
juxtaposé dans un même plan vertical à un panneau de tubes du second
ensemble ayant un plus grand nombre de tubes, c'est-à-dire un panneau 3A. Les
panneaux 3A et 3B des deux ensembles de panneaux de tubes sont ainsi
imbriqués les uns dans les autres.
3 5 Cette disposition en quinconce des panneaux 3A et 3B facilite leur
montage dans le caisson. Par ailleurs un système d'accrochage est prévu pour
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solidariser dans leur partie basse les panneaux de tubes des deux ensembles de
panneaux de tubes ayant un plus grand nombre de tubes, c'est-à-dire les
panneaux 3A, de sorte à obtenir une rigidité de la structure de l'échangeur
thermique dans le sens vertical tout en laissant la possibilité d'un déplacement5 des panneaux entre eux dans le sens horizontal. Ce système d'accrochage est
représenté à titre d'exemple sur la figure 2 par deux tiges 12 qui traversent des
ailettes 36 disposées en partie basse de ces panneaux. Ces deux tiges 12 sont
représentées aussi sur la figure 1.
Sur la figure 2, on a représenté à titre d'exemple non limitatif une
10 structure d'échangeur thermique selon l'invention dans laquelle 3 panneaux 3Aou 3B d'un ensemble de panneaux tel que défini plus haut sont raccordés à une
tubulure 9 soudée à un collecteur d'entrée, respectivement 4A ou 4B, cette
tubulure 9 rendant solidaires ces panneaux 3A ou 3B dans leur partie basse.
La figure 2 montre par ailleurs une configuration d'échangeur thermique
15 selon l'invention comportant plusieurs tubulures telles que 9 et donc plusieurs
triplé~s de panneaux 3A ou 3B d'un ensemble disposés dans des plans verticaux
adjac:ents. De la sorte, on comprend qu'il est facile d'augmenter la surface
d'échange thermique en multipliant le nombre de tubulures 9 et donc de
panneaux de tubes.
Pour rigidifier les panneaux raccordés à une même tubulure telle que 9
dans leur partie haute, on prévoit une bride supplémentaire telle que 13 (montrée
sur la figure 1) au niveau des tubes 34.
Les tubulures telles que 10A et 10B étant aussi soudées au collecteur de
sortie 5, I'echangeur conforme a l'invention est auto porteur.
