BE1020494A3 - Echangeur a flux alternatif. - Google Patents
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- F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
Description
ECHANGEUR A FLUX ALTERNATIF Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine technique des échangeurs de chaleur/évaporateurs verticaux à passage unique.
Contexte général de 1' invention et art antérieur
On sait que, dans une centrale électrique à énergie solaire concentrée (CSP), on utilise souvent un fluide thermique intermédiaire. La raison réside dans la facilité de circulation de ces fluides, travaillant à température élevée, mais à basse pression.
Le rayonnement solaire est dirigé et concentré au moyen de miroirs paraboliques ou plans vers un échangeur thermique contenant le fluide thermique.
La circulation du fluide thermique ramène la chaleur vers . un échangeur d'eau/vapeur transformant la chaleur capturée par le fluide thermique en une vapeur qui peut être utilisée dans une turbine à vapeur.
La turbine fait partie d'un cycle de vapeur classique dans une centrale électrique et est couplée à un générateur produisant du courant électrique.
Les échangeurs de chaleur à fluide thèrmique/vapeur d'eau sont principalement classés en deux catégories : 1'évaporateur chaudière : un faisceau de tubes est plongé dans un réservoir de chaudière (ou réservoir) et est parcouru, par le fluide thermique. L'eau contenue dans le réservoir est ainsi chauffée et transformée en vapeur ; .
l'échangeur à faisceau : le fluide de chauffage est contenu dans un réservoir et l'eau/vapeur circule à travers un faisceau de tubes noyés dans le réservoir.
Dans le premier cas, 1'évaporateur peut générer uniquement de la vapeur saturée qui doit ensuite être surchauffée dans un échangeur séparé, qui est également alimenté avec un fluide thermique.
Dans le deuxième cas, l'eau peut être transformée en vapeur surchauffée, qui peut être utilisée directement dans une turbine, avec un seul passage : il s'agit alors d'une chaudière mono-tubulaire ou à passage unique.
L'échangeur à faisceau permet de travailler à pression élevée, ce qui garantit un meilleur rendement, tout en permettant le contrôle des contraintes thermiques cycliques.
Dans l'art antérieur, Siemens AG a développé un échangeur à faisceau, selon la technologie à passage unique (ou dénommée Benson), qui est utilisé dans de nombreuses centrales électriques classiques. Mais l'échangeur de chaleur de cette conception présente des inconvénients comme son coût et sa1' quasi-impossibilité à être entretenu.
Dans un dénommé échangeur/évaporateur thermique à « ; virole et tubes » de l'art antérieur, une virole cylindrique loge un faisceau de tubes parallèles s'étendant entre deux-nourrices ou collecteurs d'extrémité de sorte qu'un premier; fluide, généralement de l'eau prévue pour être transformée eh, . vapeur dans la virole, peut passer de manière étanche à travers les tuyaux. Par exemple, l'eau d'alimentation est fournie aux extrémités inférieures des tuyaux dans le faisceau de tubes par le collecteur inférieur. La vapeur est déchargée par l'extrémité supérieure du faisceau de tubes a travers des sections de tuyaux dans le collecteur supérieur. Un deuxième fluide (par exemple du sodium liquide dans le document US 3,628,507) est amené au boîtier dans sa partie supérieure par une entrée supérieure et, après s'être écoulé vers le bas selon une relation à contre-courant avec le. premier liquide qui s'écoule dans, le faisceau de tuyaux, est. déchargé par une sortie située au niveau de la partie inférieure de la virole.
Afin de fournir un échange de chaleur amélioré entre les deux fluides, la trajectoire d'écoulement du deuxième fluide est déterminée par des déflecteurs intermédiaires formant des passages respectifs de sorte que le deuxième écoulement de fluide change sa direction en passant d'un passage au suivant.
Les déflecteurs se présentent sous la forme de segments circulaires partiels ou anneaux et disques annulaires, installés perpendiculairement à l'axe longitudinal de la virole afin de fournir un écoulement en zigzag du deuxième fluide.
Afin d'améliorer le rendement de la vitesse de transfert, . le document WO 2009/148822 décrit des déflecteurs montés dans · la virole afin de guider le fluide selon un modèle- d'écoulement hélicoïdal, avec des angles d'hélice différents lorsque le déflecteur est à proximité de l'entrée et dé la sortie respectivement.
Le document US 2003/0116306 décrit un.
échangeur/évaporateur de chaleur très similaire avec un- échangeur à virole et tubes de l'art antérieur avec des plaques tubulaires, des collecteurs, etc., pour le premier, fluide et les déflecteurs perpendiculaires à la direction longitudinale du boîtier pour changer la direction du deuxième fluide. De plus, les tubes transportant le premier fluide sont prévus avec des déflecteurs internes convertissant le canal de tube droit en deux canaux en spiralé à Section semi- circulaire. Ces canaux définissent une trajectoire d'écoulement en spirale pour la vapeur générée dans le tube d'échange de chaleur à partir du mélange de vapeur-liquide entrant dans le tube. :
Le document CN 200993535 Y décrit un échangéur de chaleur de vapeur-eau vertical conçu pour laisser s'échapper les gaz ne pouvant pas être condensés dans la région supérieure de la " virole d'échangeur, provoquant une gêne de circulation, et finalement la surchauffe et la'destruction des tubes d'échange de chaleur. La virole d'échangeur est réalisée avec des . plaques tubulaires ou plaques assemblées pour faire passer des plaques de déflecteur alternées. Un inconvénient de cette configuration réside dans le fait que l'échange de chaleur est réduit au centre de la virole.
Buts de 1'invention
La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients de l'art antérieur.
Plus particulièrement, l'invention a pour but de proposer un nouveau type d'échangeur de chaleur du type à faisceau ou passage unique.
L'invention propose également un échangeur de chaleur offrant un coût inférieur et un entretien rendu possible.
Résumé de l'invention
La présente invention concerne un échangeur de chaleur/évaporateur vertical comprenant une virole cylindrique-logeant un faisceau de tubes verticaux parallèles dans lesquels, à l'usage, s'écoule un premier fluide, lesdits tubes s'étendant entre une plaque d'extrémité inférieure et une plaque d'extrémité supérieure, ladite plaque d'extrémité inférieure étant alimentée avec ledit premier fluide par un collecteur d'entrée et ladite plaque d'extrémité supérieure .
délivrant de la vapeur surchauffée dudit premier fluide au niveau d'un collecteur de sortie, ladite virole étant prévue respectivement dans sa partie supérieure avec une entrée et dans sa partie inférieure avec une sortie pour un deuxième fluide, de sorte qu'à l'usage, ledit deuxième fluide s'écoule vers le bas à contre-courant du premier fluide qui s'écoule dans le faisceau de tubes, ladite virole étant prévue avec des déflecteurs horizontaux définissant 1'enceinte en plusieurs étages verticalement superposés, caractérisé en ce que ladite virole comprend également un 'déflecteur cylindrique central ayant des extrémités fermées, formant au niveau de chaque étage, un espace en boucle parcouru par le deuxième fluide, lesdits tubes étant agencés dans la virole à l'extérieur du déflecteur cylindrique central, avec des passages conçus entre deux étages contigus, de sorte que le deuxième fluide s'écoule de manière alternée en rotation inverse dans lesdits deux étages contigus.
Selon les modes de réalisation préférés de l'invention, l'échangeur de chaleur/évaporateur vertical comprend également une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes : le premier fluide est un mélange d'eau et de vapeur d'eau ; lesdits tubes sont agencés en cercles dans la virole à l'extérieur du déflecteur cylindrique central ; lesdits tubes sont prévus avec des ailettes externes agencées en spirale ; le premier collecteur d'entrée de fluide est prévu avec un, joint d'expansion afin de permettre l'expansion différentielle entre les tubes et la virole ; la jonction entre les tubes et au moins un collecteur comprend une lyre de flexibilité afin de permettre l'expansion différentielle entre les tubes du faisceau ; les collecteurs sont prévus avec des cavités permettant l'accès pour contrôler, réparer ou remplacer un tube ou un ensemble. . . '
Brève description des dessins
La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale de l'échangeur de chaleur selon l'invention.
La figure 2 représente schématiquement trois vues en coupe transversale de l'échangeur de chaleur de la figure 1.
Description détaillée de l'invention et modes de réalisation préférés L'objet de l'invention est un échangeur de chaleur, comme illustré sur la figure 1, ayant un flux réciproque dans lequel les tubes 2 de l'échangeur de chaleur 1 sont parcourus par de 1'eau/vapeur. La quantité de tubes 2 dépend du flux de vapeur pris en considération, de sa pression et de sa température choisie. Tous les tubes 2, faisant un faisceau, sont installés en parallèle, verticalement et sont conçus « à passage unique », entre un collecteur d'entrée 3 et un collecteur de sortie 4. . . ·
Les tubes 2 sont avantageusement prévus avec des ailettes transversales ou longitudinales (non représentées) agencées en. ... spirale afin d'augmenter la surface de. l'échange externe,, qui est en contact avec le fluide thermique.
Tout le faisceau de tubes est contenu dans une enceinte cylindrique essentiellement verticale (ou enveloppe ou virole) 9, parcourue par le fluide thermique. Une forme de ; l'enceinte s'éloignant dans une certaine mesure de la forme strictement cylindrique peut également se trouver dans la portée de l'invention.
L'enceinte cylindrique comprend des déflecteurs horizontaux 5, divisant l'enceinte cylindrique en différents étages 7. Les déflecteurs 5 comprennent chacun une ouverture permettant le passage du fluide thermique.
Un déflecteur cylindrique 6 avec une extrémité fermée est «· installé au centre du cylindre 9, formant ainsi un espace annulaire qui est parcouru par le fluide.
Les tubes 2 sont de préférence agencés en cercles à l'intérieur du cylindre 9, excepté pour deux zones 8 (ou 8', 8'') qui sont dédiées au passage du fluide d'un étage 7 à l'autre (voir la figure 2).
Le fluide thermique parcourt le faisceau de tubes 2 horizontalement à chaque étage 7 avec un vecteur de vitesse essentiellement horizontal, passe ensuite à l'étage suivant 7', 7'', 7' ' ', etc. et, en rotation inverse, c'est-à- dire en variante dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre d'un étage 7 au suivant, parcourt à nouveau le faisceau de tubes et ainsi de suite.
Le collecteur d'entrée d'eau 3 comprend un joint de dilatation 10 afin de permettre la dilatation différentielle entre les tubes du faisceau et l'enceinte cylindrique 9. En. outre, la jonction (tubes) 11 entre les collecteurs et les tubes du faisceau peut comprendre une lyre de flexibilité (non représentée) afin de permettre la dilatation différentielle possible entre les tubes.
La conception de l'échangeur selon la présente invention permet l'utilisation de tubes avec des ailettes (non représentées) afin d'optimiser l'échange thermique.
Avec l'accès 14 aux cavités inférieure et supérieure dans les collecteurs 3, 4 respectifs, tous les tubes et toutes les., soudures sont visibles, accessibles et peuvent être contrôlés.
ou entretenus. En coupant un manchon dans un. tube (non......
représenté), il est possible de réaliser un contrôle endoscopique de tout le tube. En retirant le fond supérieur, il est possible de remplacer n'importe quel tube.
Liste des symboles de référence 1. échangeur de chaleur 2. tube 3. collecteur d'entrée 4. collecteur de sortie 5. déflecteur horizontal 6. déflecteur cylindrique vertical avec extrémité fermée 7. étage 8. zone de passage entre deux étages 9. virole cylindrique - 10. joint de dilatation 11. jonction entre le collecteur et les tubes 12. entrée du fluide thermique 13. sortie du fluide thermique 14. porte d'accès du collecteur
Claims (7)
1. Echangeur de chaleur/évaporateur vertical (1) comprenant une virole cylindrique (9) logeant un faisceau de tubes verticaux parallèles (2) dans lesquels, à 1'usage, s'écoule un premier fluide, lesdits tubes s'étendant entre une plaque d'extrémité inférieure et une plaque d'extrémité supérieure, ladite plaque d'extrémité . inférieure étant alimentée avec ledit premier fluide par un collecteur d'entrée (3) et ladite plaque d'extrémité supérieure délivrant de la vapeur surchauffée dudit premier fluide au niveau d'un collecteur de sortie (4), ladite virole (9) étant prévue respectivement dans sa partie supérieure avec une entrée (12). et dans sa partie inférieure avec une sortie (13) pour un deuxième fluide, de sorte qu'à l'usage, ledit deuxième fluide s'écoule vers le bas à contre-courant du premier fluide s'écoulant dans le faisceau de tubes, ladite virole (9) étant prévue avec des déflecteurs horizontaux (5) divisant l'enceinte en plusieurs étages (7) verticalement superposés,·......... caractérisé en ce que ladite virole (9) comprend également un premier déflecteur cylindrique central (6) ayant des extrémités fermées, formant à chaque étage (7), un espace en boucle parcouru par le deuxième fluide, lesdits tubes (2) étant agencés dans la virole (9) à l'extérieur du déflecteur cylindrique central (6), avec des passages (8, 8', 8'') conçus entre deux étages contigus (7), de sorte que le deuxième fluide s'écoule de manière alternée en rotation inverse dans lesdits deux étages contigus (7).
2. Echangeur de chaleur/évaporateur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide est un mélange d'eau et de vapeur d'eau.
3. Echangeur de chaleur/évàporateur (1) selon. la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tubes (2) sont agencés en cercles dans la virole (9) à l'extérieur du déflecteur cylindrique central (6).
4. Echangeur de chaleur/évaporateur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tubes (2) sont prévus avec des ailettes externes agencées en spirale.
5. Echangeur de chaleur/évaporateur. (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier collecteur d'entrée de fluide (3) est prévu avec un joint de .. ..... dilatation (10) afin de permettre la dilatation différentielle entre les tubes (2) et la virole (9).
6. Echangeur de chaleur/évaporateur (1) selon la- revendication 1, caractérisé en ce que la jonction entre les tübes (2) et au moins un collecteur (3, 4) comprend une lyre de flexibilité afin de permettre la dilatation différentielle entre les tubes (2) du faisceau. ..... ..
7. Echangeur de chaleur/évaporateur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les collecteurs (3, 4) sont prévus avec des cavités permettant l'accès (14) pour le contrôle, la réparation ou le remplacement des tubes ou' de l'ensemble. .
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