CA1272184A - Procede et dispositif automatique de nettoyage d'un echangeur de chaleur pour fluides gazeux - Google Patents
Procede et dispositif automatique de nettoyage d'un echangeur de chaleur pour fluides gazeuxInfo
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un dispositif automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur pour fluides gazeux s'ecoulant dans des canaux verticaux définis entre ces surfaces. Le procédé selon l'invention fait usage d'éléments élastiques disposés en permanence dans les canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage des surfaces, et est caractérisé par le fait que la mise en vibration des eléments élastiques est faite successivement pour au moins un groupe de canaux de l'échangeur de chaleur au moyen d'une injection d'un gaz comprimé supplémentaire dans une position telle qu'elle induise dans ledit groupe de canaux, un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur. Le dispositif selon l'invention, qui comporte des éléments élastiques disposés en permanence dans les canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage des surfaces, est caractérisé par le fait qu'il comprend des conduites d'injection de gaz comprimé supplémentaire débouchant devant les ouvertures de groupes de canaux et un dispositif de commande d'injection adapté pour commander successivement et périodiquement pour chaque groupe de canaux, une injection de gaz comprimé supplémentaire induisant dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur, provoquant ainsi la mise en vibration des éléments élastiques se trouvant clans le groupe de canaux.
Description
2~
- La présente invention concerne un procédé
et un dispositif automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur destiné à
traiter des fluides gazeux s'écoulant dans des canaux ver-ticaux définis entre ces surfaces.
Le problème posé par l'encrassement des surfaces d'échange des échangeurs de chaleur est un obstacle important pour leur exploi-tation. Pour les échangeurs de chaleur destinés à traiter des fluides gazeux, on constate tout d'abord une diminu-tion du flux de chaleur échangé en raison de l'encra~sement des parois entre lesquelles s'écoule le fluide gazeux. Par ailleurs, on constate des dépôts de poussière qui peuvent rapidement atteindre des épais-seurs non négligeables, ce qui entraîne une augmen-tation considérable des pertes de charge.
Les échangeurs de chaleur étant en général constitués d'un certain nombre de canaux en parallè-le, l'encrassement entraine un risque de colmatage d'une partie de la section de passage des gaz, ce qui se traduit par une perte de surface d'échange entraî-nant une diminution d'efricacité de l'échangeur. En effet, il est très difficile d'assurer une distribu-tion rigoureusement uniforme des débits dans la totalité des canaux en parallèle d'un tel échangeur de chaleur. Ainsi, il est concevable qu'un certain nombre de canaux reçoivent moins de débit que d'autres. Tous les canaux étant en général géométri-quement identiques, les vi-tesses d'écoulement dans cer-tains canaux peuvent donc etre moindres que dans d'autres. La vitesse de dépôt des particules de poussière variant en sens inverse de la vitesse d'écoulement des gaz, il en résulte un dépôt préfé-rentiel des particules solides le long des parois des zones moins bien alimentées de l'échangeur. Les caractéristiques de pertes de charge des canaux obstrués augmentent rapidement avec la diminution de leur diamètre hydraulique, ce qui entraîne à nouveau une reduction des vitesses d'ecoulement. Ainsi le phénomène s'auto-en-tretien et s'accélère meme jusqu'à
l'obturation complète de certains canaux.
Pour éviter ces inconvenients, on procède generalement à l'entretien xegulier des surfaces d'echange. Cet entretien peut se faire de manière discontinue avec intervention humaine periodique. Un tel processus presente cependant l'inconvénient d'entraîner des couts de main-d'oeuvre importants ainsi que des pertes de productivité en raison des arrêts nécessaires de l'installation.
On a donc envisage de lutter contre l'en-crassement des echangeurs de chaleur en agissant à la source même du phenomène. On a tout d'abord imagine de lutter contre le colmatage des échangeurs de chaleur en organisant les écoulements de manière rigoureusement uniforme de fa,con que les dépôts solides se produisent simultanément sur toutes les surfaces. L'épaisseur des dépôts tend alors asympto-tiquement vers une limite pour laquelle la vitesse d'érosion contre-balance la vitesse de dépot. Une telle limite stable pour l'épaisseur des dépots évite le colmatage partiel de la section de passage des gaz dans l'échangeur. Le brevet francais No. 2,524,132 decrit une telle réalisation dans laquelle le passage des gaz est organisé de manière parfaitement uni-forme. On ne peut cependant exclure un déséquilibre accidentel de l'alimentation qui entrainerait alors un début de colma-tage.
Un autre moyen de lu-tte contre l'encras-sement et le colmatage est de prévoir un nettoyage de l'intérieur des tubes~ Des dispositifs à cet effe-t ont été prévus, en particulier pour les échangeurs de chaleur -tubulaires destinés au traitement des liqui-des.
On connait par exemple l'utilisation de corps souples de taille légèrement supérieure au diamètre des tubes, que l'on force par poussée hydraulique sur toute leur longueur (voir brevet européen No. 41,698). Un tel procédé n'est cependant pas applicable dans le cas d'un écoulement gazeux compressible.
Dans certains cas, on a préconisé d'utili-ser les contraintes de frottement des fluides sur les parois d'échange et leur brusque variation pour détacher les dépôts particulaires. On connait par exemple un dispositif de ramonage à la vapeur ou à
l'air comprimé des tubes de fumée des chaudières ~Z~z~
(voir brevet européen No. 29,933). Mais tous les dépôts -solides ne se laissent pas détacher sous l'influence des seules contraintes de frottement, et seul un râclage mécanique pourrait garantir un entretien régulier des surfaces d'échange.
Pour les échangeurs de chaleur destinés à
traiter les liquides, on a déjà imaginé d'utiliser une spirale métallique élastique mise en agitation par la circulation du liquide (brevet français No.
- La présente invention concerne un procédé
et un dispositif automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur destiné à
traiter des fluides gazeux s'écoulant dans des canaux ver-ticaux définis entre ces surfaces.
Le problème posé par l'encrassement des surfaces d'échange des échangeurs de chaleur est un obstacle important pour leur exploi-tation. Pour les échangeurs de chaleur destinés à traiter des fluides gazeux, on constate tout d'abord une diminu-tion du flux de chaleur échangé en raison de l'encra~sement des parois entre lesquelles s'écoule le fluide gazeux. Par ailleurs, on constate des dépôts de poussière qui peuvent rapidement atteindre des épais-seurs non négligeables, ce qui entraîne une augmen-tation considérable des pertes de charge.
Les échangeurs de chaleur étant en général constitués d'un certain nombre de canaux en parallè-le, l'encrassement entraine un risque de colmatage d'une partie de la section de passage des gaz, ce qui se traduit par une perte de surface d'échange entraî-nant une diminution d'efricacité de l'échangeur. En effet, il est très difficile d'assurer une distribu-tion rigoureusement uniforme des débits dans la totalité des canaux en parallèle d'un tel échangeur de chaleur. Ainsi, il est concevable qu'un certain nombre de canaux reçoivent moins de débit que d'autres. Tous les canaux étant en général géométri-quement identiques, les vi-tesses d'écoulement dans cer-tains canaux peuvent donc etre moindres que dans d'autres. La vitesse de dépôt des particules de poussière variant en sens inverse de la vitesse d'écoulement des gaz, il en résulte un dépôt préfé-rentiel des particules solides le long des parois des zones moins bien alimentées de l'échangeur. Les caractéristiques de pertes de charge des canaux obstrués augmentent rapidement avec la diminution de leur diamètre hydraulique, ce qui entraîne à nouveau une reduction des vitesses d'ecoulement. Ainsi le phénomène s'auto-en-tretien et s'accélère meme jusqu'à
l'obturation complète de certains canaux.
Pour éviter ces inconvenients, on procède generalement à l'entretien xegulier des surfaces d'echange. Cet entretien peut se faire de manière discontinue avec intervention humaine periodique. Un tel processus presente cependant l'inconvénient d'entraîner des couts de main-d'oeuvre importants ainsi que des pertes de productivité en raison des arrêts nécessaires de l'installation.
On a donc envisage de lutter contre l'en-crassement des echangeurs de chaleur en agissant à la source même du phenomène. On a tout d'abord imagine de lutter contre le colmatage des échangeurs de chaleur en organisant les écoulements de manière rigoureusement uniforme de fa,con que les dépôts solides se produisent simultanément sur toutes les surfaces. L'épaisseur des dépôts tend alors asympto-tiquement vers une limite pour laquelle la vitesse d'érosion contre-balance la vitesse de dépot. Une telle limite stable pour l'épaisseur des dépots évite le colmatage partiel de la section de passage des gaz dans l'échangeur. Le brevet francais No. 2,524,132 decrit une telle réalisation dans laquelle le passage des gaz est organisé de manière parfaitement uni-forme. On ne peut cependant exclure un déséquilibre accidentel de l'alimentation qui entrainerait alors un début de colma-tage.
Un autre moyen de lu-tte contre l'encras-sement et le colmatage est de prévoir un nettoyage de l'intérieur des tubes~ Des dispositifs à cet effe-t ont été prévus, en particulier pour les échangeurs de chaleur -tubulaires destinés au traitement des liqui-des.
On connait par exemple l'utilisation de corps souples de taille légèrement supérieure au diamètre des tubes, que l'on force par poussée hydraulique sur toute leur longueur (voir brevet européen No. 41,698). Un tel procédé n'est cependant pas applicable dans le cas d'un écoulement gazeux compressible.
Dans certains cas, on a préconisé d'utili-ser les contraintes de frottement des fluides sur les parois d'échange et leur brusque variation pour détacher les dépôts particulaires. On connait par exemple un dispositif de ramonage à la vapeur ou à
l'air comprimé des tubes de fumée des chaudières ~Z~z~
(voir brevet européen No. 29,933). Mais tous les dépôts -solides ne se laissent pas détacher sous l'influence des seules contraintes de frottement, et seul un râclage mécanique pourrait garantir un entretien régulier des surfaces d'échange.
Pour les échangeurs de chaleur destinés à
traiter les liquides, on a déjà imaginé d'utiliser une spirale métallique élastique mise en agitation par la circulation du liquide (brevet français No.
2,479,964). Dans un tel procédé, la quantité de mouvement transmise par le liquide suffit à provoquer l'agitation du fil métallique qui entre en con-tact répétitif avec les parois internes des -tubes, ef-fectuant ainsi le nettoyage. toutefois, dans le cas d'un fluide gazeux, un tel procédé ne pourrait pas être utilisé, les quantités de mouvement transmises par les gaz n'étant pas suffisantes dans des condi-tions normales d'utilisation. Une augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide gazeux pour obtenir l'effet désiré, entraînerait l'apparition de pertes de charge beaucoup trop importantes.
Le brevet français No. 2,435,292 également adapté au cas d'un échangeur de chaleur pour le traitement des liquides, utilise un dispositif mécanique pour étirer périodiquement un ressort hélicoïdale dont la fonction est de râcler les substances deposees le long des parois, empêchant ~z~
ainsi leur détérioration par surchauffe locale. Il est préconise d'utiliser un ajustement serré le long de la paroi du tube. I
L'utilisation d'un tel dispositif mecanique pour un echangeur de chaleur destine à traiter les fluides gazeux, en particulier à haute temperature pouvant depasser 800~C, poussièreux et eventuellement agressifs, presenterait des difficultes considerables à la fois sur le plan de la conception et de la fiabilite.
La presente invention a pour objet un procedé et un dispositif automatiques de nettoyage periodique des surfaces internes d'un echangeur de chaleur pour fluides gazeux qui permette d'obtenir une mise en vibration d'elements elastiques de râclage places à l'interieur des canaux de l'echan-geur de chaleur, et ce par des moyens simples action-nés pneumatiquement, afin de xésoudre les problèmes poses par l'adaptation des dispositifs de nettoyage connus aux echangeurs de chaleur destines à traiter des fluides gazeux.
Selon l'invention, le procede automatique de nettoyage periodique des surfaces d'un echangeur de chaleur pour fluides ga~eux s'ecoulant dans des canaux vexticaux entre ces surfaces, fait usage d'elements elastiques disposes en permanence dans les canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage des surfaces. La mise en vibration des elements elastiques se fait, selon ~z~
l'invention, successivement pour au moins un groupe de canaux de l'échangeur de chaleur, au moyen d'une injection d'un gaz comprimé supplémentaire dans une position telle qu'elle incluise dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur.
La commande d'injection du gaz supplémen-taire peut être faite manuellement par intermittence, ou selon une séquence déterminée pour chaque groupe de canaux de l'échangeur sous le contrôle d'un automatisme de pilotage.
L'injection du gaz supplémentaire sous pression peut se faire dans l'axe ou dans le plan de symétrie des canaux, ou encore de manière inclinée selon les applications.
L'injection du gaz supplémentaire comprimé
se fait de préférence au moyen de tuyères placées dans une position en amont de l'embouchure de chaque canal de l'échangeur de chaleur.
L'invention a également pour obje-t un dispositif automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur pour fluides yazeux qui permet la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le dispositif de l'invention comprend des conduites d'injection de gaz comprimé supplémen-taire débouchant devant les ouvertures des groupes de canaux et un dispositif de commande d'injection adapté pour commander successivement et périodique-ment pour chaque groupe de canaux, une injection de gaz comprimé supplémentaire induisant dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur, provoquant ainsi la mise en vibration des éléments élastiques se trouvant dans le groupe de canaux. Ces vibrations qui se produisent à la fois de façon longitudinale, transversale et en rotation, provoque une multitude de contacts entre les éléments élastiques et les parois internes des canaux de l'echangeur de chaleur, entraînant ainsi un raclage de ces parois et un détachement de particules solides qui peuvent alors tomber sous l'action de la gravité, dans les canaux verticaux et/ou etre entrainées par l'ecoulement gazeux.
Les éléments élastiques sont de pré~erence fixes à leurs deux extrémités au voisinage des deux extrémités des canaux.
Dans une variante, les éléments élastiques peuvent n'etre fixés qu'à leur extrémite haute, voisine de l'ouverture superieure des canaux, ~o l'extremité basse des éléments élastiques etant alors libre.
Les conduites d'injection comportent de preference des tuyères d'injection qui dirigent l'ecoulement de gaz comprime supplémentaire vers l'ouverture superieure des canaux. Ces tuyères peuvent en outre servir de fixation pour la partie superieure des elements elastiques, soit directement, soit par l'intermediaire d'elements supplementaires solidaires des tuyères ou fixes aux tuyères. Les elements elastiques sont disposes dans les canaux verticaux de l'echangeur de chaleur au voisinage immediat de leurs parois internes, sans toutefois entrer en contact avec lesdites parois lors du fonctionnement normal de l'echangeur, c'est-à-dire en-dehors des periodes de nettoyage.
Pendant le fonctionnement normal de l'échangeur, les éléments elastiques jouent donc le rôle de turbulateurs perturbant la couche limite au voisinage des parois lnternes des canaux, ce qui permet de faire circuler l'ecoulement gazeux à une vitesse basse qui est de préférence comprise entre environ 8 et 12 m/seconde, et plus particulièrement entre environ 8 et 10 m/seconde.
Dans un mode de réalisation préféré, les eléments élastiques sont constitués de fils métalli-ques enroulés en hélice. Dans une variante, on peut utiliser des fils métalliques munis d'une pluralité
de pales s'etendant radialement, avantageusement profilées aérodynamiquement, de façon à mettre en vibration l'ensemble de llélement elastique par action de l'ecoulement gazeux induit par le gaz comprime supplementaire provenant des conduites d'injection.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après de quelques modes de realisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustres sur les dessins ci-joints, dans lesquels:
la figure 1 est une vue partielle en elevation en coupe d'un echangeur de chaleur tubulai-re comportant un dispositif automatique de nettoyage periodique selon l'invention;
la figure 2 est une vue partielle en coupe de côte de l'echangeur de la figure 1;
les figures 3 e-t 4 illustrent deux varian-tes de fixation de la partie haute des elements elastiques;
la figure 5 illustre en vue agrandie schematiquement et en coupe, une variante de reali-sa-tion de l'extremité haute d'un tube d'échangeur de chaleur; et la figure 6 illustre schématiquement en coupe une variante d'élement elastique pouvant être utilise pour la mise en oeuvre de la presente inven-tion.
Tel qu'il est illustre sur les figures 1 et 2, l'echangeur de chaleur est du type tubulaire à
courant croise dans lequel des gaz chauds et pous-siereux s'ecoulent a l'interieur de tubes verticaux 1, de préférence du haut vers le bas. L'air de refroidissement s'écoule de manière transversale à la direction des gaz chauds et poussiéreux, à l'exté-rieur des tubes 1 et entre ceux-ci. On comprendra bien entendu que l'invention pourraît également s'appliquer sans modifications notables, a un échan-geur du type tubes-calandre avec écoulement parallele ~L;27Z~
aux tubes de gaz de refroidissement, ou encore à un autre -type, et en particulier à un échangeur de chaleur à plaques.
Les tubes 1 sont fixés aux plaques de tête supérieure 2a et inférieure 2b par soudure selon un procédé classique dans la construction des échangeurs de ce type. Les tubes 1 communiquent ainsi avec un plenum superieur 3 qui sert à l'admission ou l'extraction des gaz chauds et poussiereux par un orifice d'admission ou d'extraction qui n'est pas représenté sur les figures, et avec un plenum inPe-rieur 4 comportant un orifice d'extraction ou d'admission également non représen-té. Le plenum inférieur 4 a de préférence, comme illustré sur la figure 1, la forme d'une trémie permettant de facili-ter la récupération des particules solides qui viendront s'y décanter lors des opérations de net-toyage.
Le dimensionnement des sections de passage des gaz est choisi de façon qu'une vitesse d'écoule-ment comprise entre environ 8 et 12 m/seconde, et de préférence environ 8 et 10 m/seconde, soit obtenue.
Il convient en effet de na pas adopter une vitesse d'écoulement trop importante, afin de ne pas créer de pertes de charge exagérées. Par ailleurs, une vitesse d'écoulement trop basse entraînerait un encombrement prohibitif pour l'ensemble de l'appareil. le choix du diamètre des tubes se fait de façon a permettre le ~27~
passage des gaz avec la vitesse d'écoulement convena-ble qui- vient d'ê-tre mentionnee, tout en permettant l'insertion des elements elastiques de nettoyage.
Les elements elas-tiques sont const:i-tues dans l'exemple illustre sur les figures 1 et 2 par un fil metallique 5 enroule en helice et formant res-sort. Les ressorts 5 sont fixes de manière rigide à
leurs extremites haute 6 et basse 7, qui depassent toutes deux des extrémites haute et basse des tubes 1. Les extremites inferieures 7 des ressorts 5 son-t fixes à une grille 8 elle-meme mon-tee rigidement par des moyens non illustres sur les figures, dans le plenum inferieur 4. Dans l'exemple illustré, la grille 8 presente une maille identique à celle des axes des tubes 1 de l'echangeur. ~n comprendra cependant qu'une fixation différente pourrait parfai-tement etre envisagée.
La fixation de la partie basse 7 du ressort 5 se fait au moyen de crochets 9 permettant un démontage aisé. On pourrait là encore utiliser d'autres moyens, et en particulier une fixation à
boulonnage ou à épinglage, dans la mesure où le démontage facile reste possible.
Dans la partie haute de l'échangeur de chaleur et à l'intérieur du plenum supérieur 3, se trouvent disposées une pluralité de tuyères d'in-jection 10 pour un gaz comprimé supplémentaire qui peut par exemple être de l'air comprimé ou de la vapeur d'eau sous pression. Les tuyères 10 comportent ~L2~2~ !
des extrémités de faible diamètre pouvant être compris par exemple entre 4 et 10 mm approximative-ment, étan-t entendu que le cholx du diamètre de la tuyère d'injec-t~on dépend du diamètre des tubes 1 de l'echangeur.
Les tuyères 10 sont centrees sur les axes des tubes 1 et placees à un certaine distance au-dessus de l'ouverture des tubes 1. Il serait possible dans un variante, que l'axe des tuyères 10 presente une certaine inclinaison par rapport à l'axe des tubes 1, ce qui permettrait alors d'orienter le jet de gaz supplemen-taire comprime vers la périphérie des éléments élastiques 5, entraînant une exitation differente.
Les tuyères d'injection 10 sont reliées par de petits tubes verticaux 11 à un conduit d'injection 12 lui-même connecte à un reservoir de gaz comprime 13. On notera que dans l'exemple illustre, chaque conduit d'injection 12 équipé de sa pluralite de tubes verticaux 11 et des tuyères d'injection 10, permet l'injection de gaz dans une rangée de tubes 1 (figure 2).
Une vanne de commande 14 qui peut être actionnée manuellement ou au moyen d'une électrovanne pilotée par un automatisme, permet l'injection commandée périodique du gaz comprimé supplémentaire contenu dans le réservoir 13, pour cette rangée de tubes 1.
La fixation de l'extrémité supérieure 6 des ressorts 5 peut être faite directement sur les tubes verticaux 11. En se reportant à la figure 3, on voit un premier mode de réalisation d'une telle fixation.
Selon ce mode de réalisation, le tube d'injection 11 est muni d'ailettes longitudinales 15 dans lesquelles sont pratiquées des perforations 16 perme-ttant le passage et l'enroulement de l'extrémité supérieure du ressort 5. La figure 4 montre une variante de réali-sation dans laquelle le ressor-t 5 est terminé par un enroulement 17 de plus petit diarnètre que le ressort 5, l'enroulement 17 étant enfilé sur l'extrémi-té du tube d'injection 11 e-t bloqué par un élément de serrage 18. ~n notera bien entendu qu'il serai-t parfaitement possible de fixer les ex-trémités supé-rieures des ressorts 5 par d'autres moyens, par exemple directement sur la conduite d'injection 12, ou encore sur un support séparé monté rigidement dans le plenum superieur 3.
Le dispositif de l'invention ~onctionne de la manière suivante. Pour proceder au nettoyage periodique des parois internes des tubes 1, on injecte dans une rangée de tubes 1, un gaz comprimé
supplementaire à une pression de l'ordre de 2 à 6 bars par les tuyères 10. Cette injection, qui se fait pendant une duree relativement courte, par exemple comprise entre l/lOème de seconde et quelques secon-des, induit instantanément un debit de fluide gazeux en provenance du plenum superieur 3 et des tubes 1 des rangées voisines. Ce débit de fluide gazeux induit est de l'ordre de quatre a six Eois le débit du gaz comprime supplémentaire injecté par les tuyères 10. La vitesse d'écoulement ainsi créée à
l'intérieur des tubes 1, est donc tres importante. La quantité de mouvement ainsi fournie est communiquée au~ ressorts 5 et l'agitation qui en résulte est amortie dans l'écoulement et le long des parois des tubes 1 par chocs et râclage, ce qui entraîne le nettoyage et l'entretien de l'é-tat des surfaces in-ternes des -tubes 1 de l'échangeur de chaleur.
I1 es-t ainsi possible d'empëcher l'encras-sement des tubes de l'échangeur sans générer de pertes de charge -trop importantes puisque la vitesse d'écoulement, en fonctionnement normal en-dehors des périodes de nettoyage, peut être choisie à une valeur relativement basse comme on l'a mentionné précedem-ment. Les performances d'échange thermique sont par ailleurs améliorées grace à l'inser-tion à l'intérieur des tubes des ressorts 5 qui jouent le role de turbulateurs dont l'effet de suppression des couches limites compense la réduction de la vitesse d'écou-lement. L'utilisation d'un système de commande manuel ou automatique permet de controler parfaitement la fréquence d'injection du gaz comprimé supplémentaire et d'optimiser ainsi l'usure et la fréquence de remplacement des éléments élastiques constitués par les ressorts 5.
, ~L~7Z~
La figure 5 illustre une variante du dispositif de l'invention dans laquelle l'extrémité
supérieure de chaque tube 1 de l'échangeur est équipée d'une pièce d'embouchure 19 pénétrant partiellement à l'intérieur du tube 1. La pièce d~embouchure 19 peut être fixée sur le tube 1 par filetage comme illustré sur la figure 5, ou par tout autre moyen tel qu'encliquetage, soudure, collage, etc. La pièce d'embouchure 19 est profilée à la façon dlun convergent de tuyère, de façon à induire un plus grand débit de fluide gazeux sous lleffet de l'in-jection du gaz comprimé supplémentalre par les tuyères 10 placées comme précédemment à une certaine distance de l'embouchure des tubes 1. Il est ainsi possible de réduire encore le débit du gaz comprimé
supplémentaire nécessaire à l'opération de nettoyage périodique.
La figure ~ montre schématiquement un élément élastique de structure différente pouvant etre utilise dans le cadre de l'invention. Sur cette figure, on a representé un tube 1 à llintérieur duquel l'élément élastique est constitué par un cable 20 présentant de faibles ondulations et muni dlune pluralité de pales 21 slétendant radialement et présentant un profil aérodynamique de façon à pouvoir être entraînées de manière tourbillonnaire dans l'écoulement gazeux parallèle à llaxe du tube 1. Les pales 21 provoquent alors le nettoyage par chocs et raclage comme précédemment.
Dans tous les cas, on notera qu'il est important que l'élément élastique const:itue par le ressort 5 ou par le câble 20 muni des allettes 21, ou encore par tout autre moyen équivalen-t, soit placé a l'interieur du tube 1 ou du canal vertical de l'echangeur, de façon à etre à proximite immediate de ses parois internes, sans toutefois entrer en contact avec lesdites parois lors du fonctionnement normal de l'echangeur de chaleur en-dehors des periodes de nettoyage. De ce fait~ la couche limite se trouve effectivement perturbee par des portions de l'élément elastique se trouvant au voisinage des paroi.s in-ternes des tubes 1 et le nettoyage est mieux assuré
lors de l'injection de gaz comprimé.
Dans les exemples illustrés, les éléments élastiques ont ete fixes rigidement à leurs extremi-tes supérieure et inférieure. On comprendra cependant qu'il serait possible d'envisager dans une variante de ne pas fixer les extrémités inférieures des élements elastiques. Ceux-ci restent alors libres de toute entrave au voisinage de leur extrémité infe-rieure 7 et peuvent en quelque sorte flotter dans l'ecoulement gazeux. Les caractéristiques de vibra-tion entraînées par l'injection de gaz comprime supplemen-taire et l'ecoulemen-t gazeux induit sont alors differentes et peuvent etre adaptees à certains problèmes particuliers de colmatage.
1~
Le brevet français No. 2,435,292 également adapté au cas d'un échangeur de chaleur pour le traitement des liquides, utilise un dispositif mécanique pour étirer périodiquement un ressort hélicoïdale dont la fonction est de râcler les substances deposees le long des parois, empêchant ~z~
ainsi leur détérioration par surchauffe locale. Il est préconise d'utiliser un ajustement serré le long de la paroi du tube. I
L'utilisation d'un tel dispositif mecanique pour un echangeur de chaleur destine à traiter les fluides gazeux, en particulier à haute temperature pouvant depasser 800~C, poussièreux et eventuellement agressifs, presenterait des difficultes considerables à la fois sur le plan de la conception et de la fiabilite.
La presente invention a pour objet un procedé et un dispositif automatiques de nettoyage periodique des surfaces internes d'un echangeur de chaleur pour fluides gazeux qui permette d'obtenir une mise en vibration d'elements elastiques de râclage places à l'interieur des canaux de l'echan-geur de chaleur, et ce par des moyens simples action-nés pneumatiquement, afin de xésoudre les problèmes poses par l'adaptation des dispositifs de nettoyage connus aux echangeurs de chaleur destines à traiter des fluides gazeux.
Selon l'invention, le procede automatique de nettoyage periodique des surfaces d'un echangeur de chaleur pour fluides ga~eux s'ecoulant dans des canaux vexticaux entre ces surfaces, fait usage d'elements elastiques disposes en permanence dans les canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage des surfaces. La mise en vibration des elements elastiques se fait, selon ~z~
l'invention, successivement pour au moins un groupe de canaux de l'échangeur de chaleur, au moyen d'une injection d'un gaz comprimé supplémentaire dans une position telle qu'elle incluise dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur.
La commande d'injection du gaz supplémen-taire peut être faite manuellement par intermittence, ou selon une séquence déterminée pour chaque groupe de canaux de l'échangeur sous le contrôle d'un automatisme de pilotage.
L'injection du gaz supplémentaire sous pression peut se faire dans l'axe ou dans le plan de symétrie des canaux, ou encore de manière inclinée selon les applications.
L'injection du gaz supplémentaire comprimé
se fait de préférence au moyen de tuyères placées dans une position en amont de l'embouchure de chaque canal de l'échangeur de chaleur.
L'invention a également pour obje-t un dispositif automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur pour fluides yazeux qui permet la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le dispositif de l'invention comprend des conduites d'injection de gaz comprimé supplémen-taire débouchant devant les ouvertures des groupes de canaux et un dispositif de commande d'injection adapté pour commander successivement et périodique-ment pour chaque groupe de canaux, une injection de gaz comprimé supplémentaire induisant dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur, provoquant ainsi la mise en vibration des éléments élastiques se trouvant dans le groupe de canaux. Ces vibrations qui se produisent à la fois de façon longitudinale, transversale et en rotation, provoque une multitude de contacts entre les éléments élastiques et les parois internes des canaux de l'echangeur de chaleur, entraînant ainsi un raclage de ces parois et un détachement de particules solides qui peuvent alors tomber sous l'action de la gravité, dans les canaux verticaux et/ou etre entrainées par l'ecoulement gazeux.
Les éléments élastiques sont de pré~erence fixes à leurs deux extrémités au voisinage des deux extrémités des canaux.
Dans une variante, les éléments élastiques peuvent n'etre fixés qu'à leur extrémite haute, voisine de l'ouverture superieure des canaux, ~o l'extremité basse des éléments élastiques etant alors libre.
Les conduites d'injection comportent de preference des tuyères d'injection qui dirigent l'ecoulement de gaz comprime supplémentaire vers l'ouverture superieure des canaux. Ces tuyères peuvent en outre servir de fixation pour la partie superieure des elements elastiques, soit directement, soit par l'intermediaire d'elements supplementaires solidaires des tuyères ou fixes aux tuyères. Les elements elastiques sont disposes dans les canaux verticaux de l'echangeur de chaleur au voisinage immediat de leurs parois internes, sans toutefois entrer en contact avec lesdites parois lors du fonctionnement normal de l'echangeur, c'est-à-dire en-dehors des periodes de nettoyage.
Pendant le fonctionnement normal de l'échangeur, les éléments elastiques jouent donc le rôle de turbulateurs perturbant la couche limite au voisinage des parois lnternes des canaux, ce qui permet de faire circuler l'ecoulement gazeux à une vitesse basse qui est de préférence comprise entre environ 8 et 12 m/seconde, et plus particulièrement entre environ 8 et 10 m/seconde.
Dans un mode de réalisation préféré, les eléments élastiques sont constitués de fils métalli-ques enroulés en hélice. Dans une variante, on peut utiliser des fils métalliques munis d'une pluralité
de pales s'etendant radialement, avantageusement profilées aérodynamiquement, de façon à mettre en vibration l'ensemble de llélement elastique par action de l'ecoulement gazeux induit par le gaz comprime supplementaire provenant des conduites d'injection.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après de quelques modes de realisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustres sur les dessins ci-joints, dans lesquels:
la figure 1 est une vue partielle en elevation en coupe d'un echangeur de chaleur tubulai-re comportant un dispositif automatique de nettoyage periodique selon l'invention;
la figure 2 est une vue partielle en coupe de côte de l'echangeur de la figure 1;
les figures 3 e-t 4 illustrent deux varian-tes de fixation de la partie haute des elements elastiques;
la figure 5 illustre en vue agrandie schematiquement et en coupe, une variante de reali-sa-tion de l'extremité haute d'un tube d'échangeur de chaleur; et la figure 6 illustre schématiquement en coupe une variante d'élement elastique pouvant être utilise pour la mise en oeuvre de la presente inven-tion.
Tel qu'il est illustre sur les figures 1 et 2, l'echangeur de chaleur est du type tubulaire à
courant croise dans lequel des gaz chauds et pous-siereux s'ecoulent a l'interieur de tubes verticaux 1, de préférence du haut vers le bas. L'air de refroidissement s'écoule de manière transversale à la direction des gaz chauds et poussiéreux, à l'exté-rieur des tubes 1 et entre ceux-ci. On comprendra bien entendu que l'invention pourraît également s'appliquer sans modifications notables, a un échan-geur du type tubes-calandre avec écoulement parallele ~L;27Z~
aux tubes de gaz de refroidissement, ou encore à un autre -type, et en particulier à un échangeur de chaleur à plaques.
Les tubes 1 sont fixés aux plaques de tête supérieure 2a et inférieure 2b par soudure selon un procédé classique dans la construction des échangeurs de ce type. Les tubes 1 communiquent ainsi avec un plenum superieur 3 qui sert à l'admission ou l'extraction des gaz chauds et poussiereux par un orifice d'admission ou d'extraction qui n'est pas représenté sur les figures, et avec un plenum inPe-rieur 4 comportant un orifice d'extraction ou d'admission également non représen-té. Le plenum inférieur 4 a de préférence, comme illustré sur la figure 1, la forme d'une trémie permettant de facili-ter la récupération des particules solides qui viendront s'y décanter lors des opérations de net-toyage.
Le dimensionnement des sections de passage des gaz est choisi de façon qu'une vitesse d'écoule-ment comprise entre environ 8 et 12 m/seconde, et de préférence environ 8 et 10 m/seconde, soit obtenue.
Il convient en effet de na pas adopter une vitesse d'écoulement trop importante, afin de ne pas créer de pertes de charge exagérées. Par ailleurs, une vitesse d'écoulement trop basse entraînerait un encombrement prohibitif pour l'ensemble de l'appareil. le choix du diamètre des tubes se fait de façon a permettre le ~27~
passage des gaz avec la vitesse d'écoulement convena-ble qui- vient d'ê-tre mentionnee, tout en permettant l'insertion des elements elastiques de nettoyage.
Les elements elas-tiques sont const:i-tues dans l'exemple illustre sur les figures 1 et 2 par un fil metallique 5 enroule en helice et formant res-sort. Les ressorts 5 sont fixes de manière rigide à
leurs extremites haute 6 et basse 7, qui depassent toutes deux des extrémites haute et basse des tubes 1. Les extremites inferieures 7 des ressorts 5 son-t fixes à une grille 8 elle-meme mon-tee rigidement par des moyens non illustres sur les figures, dans le plenum inferieur 4. Dans l'exemple illustré, la grille 8 presente une maille identique à celle des axes des tubes 1 de l'echangeur. ~n comprendra cependant qu'une fixation différente pourrait parfai-tement etre envisagée.
La fixation de la partie basse 7 du ressort 5 se fait au moyen de crochets 9 permettant un démontage aisé. On pourrait là encore utiliser d'autres moyens, et en particulier une fixation à
boulonnage ou à épinglage, dans la mesure où le démontage facile reste possible.
Dans la partie haute de l'échangeur de chaleur et à l'intérieur du plenum supérieur 3, se trouvent disposées une pluralité de tuyères d'in-jection 10 pour un gaz comprimé supplémentaire qui peut par exemple être de l'air comprimé ou de la vapeur d'eau sous pression. Les tuyères 10 comportent ~L2~2~ !
des extrémités de faible diamètre pouvant être compris par exemple entre 4 et 10 mm approximative-ment, étan-t entendu que le cholx du diamètre de la tuyère d'injec-t~on dépend du diamètre des tubes 1 de l'echangeur.
Les tuyères 10 sont centrees sur les axes des tubes 1 et placees à un certaine distance au-dessus de l'ouverture des tubes 1. Il serait possible dans un variante, que l'axe des tuyères 10 presente une certaine inclinaison par rapport à l'axe des tubes 1, ce qui permettrait alors d'orienter le jet de gaz supplemen-taire comprime vers la périphérie des éléments élastiques 5, entraînant une exitation differente.
Les tuyères d'injection 10 sont reliées par de petits tubes verticaux 11 à un conduit d'injection 12 lui-même connecte à un reservoir de gaz comprime 13. On notera que dans l'exemple illustre, chaque conduit d'injection 12 équipé de sa pluralite de tubes verticaux 11 et des tuyères d'injection 10, permet l'injection de gaz dans une rangée de tubes 1 (figure 2).
Une vanne de commande 14 qui peut être actionnée manuellement ou au moyen d'une électrovanne pilotée par un automatisme, permet l'injection commandée périodique du gaz comprimé supplémentaire contenu dans le réservoir 13, pour cette rangée de tubes 1.
La fixation de l'extrémité supérieure 6 des ressorts 5 peut être faite directement sur les tubes verticaux 11. En se reportant à la figure 3, on voit un premier mode de réalisation d'une telle fixation.
Selon ce mode de réalisation, le tube d'injection 11 est muni d'ailettes longitudinales 15 dans lesquelles sont pratiquées des perforations 16 perme-ttant le passage et l'enroulement de l'extrémité supérieure du ressort 5. La figure 4 montre une variante de réali-sation dans laquelle le ressor-t 5 est terminé par un enroulement 17 de plus petit diarnètre que le ressort 5, l'enroulement 17 étant enfilé sur l'extrémi-té du tube d'injection 11 e-t bloqué par un élément de serrage 18. ~n notera bien entendu qu'il serai-t parfaitement possible de fixer les ex-trémités supé-rieures des ressorts 5 par d'autres moyens, par exemple directement sur la conduite d'injection 12, ou encore sur un support séparé monté rigidement dans le plenum superieur 3.
Le dispositif de l'invention ~onctionne de la manière suivante. Pour proceder au nettoyage periodique des parois internes des tubes 1, on injecte dans une rangée de tubes 1, un gaz comprimé
supplementaire à une pression de l'ordre de 2 à 6 bars par les tuyères 10. Cette injection, qui se fait pendant une duree relativement courte, par exemple comprise entre l/lOème de seconde et quelques secon-des, induit instantanément un debit de fluide gazeux en provenance du plenum superieur 3 et des tubes 1 des rangées voisines. Ce débit de fluide gazeux induit est de l'ordre de quatre a six Eois le débit du gaz comprime supplémentaire injecté par les tuyères 10. La vitesse d'écoulement ainsi créée à
l'intérieur des tubes 1, est donc tres importante. La quantité de mouvement ainsi fournie est communiquée au~ ressorts 5 et l'agitation qui en résulte est amortie dans l'écoulement et le long des parois des tubes 1 par chocs et râclage, ce qui entraîne le nettoyage et l'entretien de l'é-tat des surfaces in-ternes des -tubes 1 de l'échangeur de chaleur.
I1 es-t ainsi possible d'empëcher l'encras-sement des tubes de l'échangeur sans générer de pertes de charge -trop importantes puisque la vitesse d'écoulement, en fonctionnement normal en-dehors des périodes de nettoyage, peut être choisie à une valeur relativement basse comme on l'a mentionné précedem-ment. Les performances d'échange thermique sont par ailleurs améliorées grace à l'inser-tion à l'intérieur des tubes des ressorts 5 qui jouent le role de turbulateurs dont l'effet de suppression des couches limites compense la réduction de la vitesse d'écou-lement. L'utilisation d'un système de commande manuel ou automatique permet de controler parfaitement la fréquence d'injection du gaz comprimé supplémentaire et d'optimiser ainsi l'usure et la fréquence de remplacement des éléments élastiques constitués par les ressorts 5.
, ~L~7Z~
La figure 5 illustre une variante du dispositif de l'invention dans laquelle l'extrémité
supérieure de chaque tube 1 de l'échangeur est équipée d'une pièce d'embouchure 19 pénétrant partiellement à l'intérieur du tube 1. La pièce d~embouchure 19 peut être fixée sur le tube 1 par filetage comme illustré sur la figure 5, ou par tout autre moyen tel qu'encliquetage, soudure, collage, etc. La pièce d'embouchure 19 est profilée à la façon dlun convergent de tuyère, de façon à induire un plus grand débit de fluide gazeux sous lleffet de l'in-jection du gaz comprimé supplémentalre par les tuyères 10 placées comme précédemment à une certaine distance de l'embouchure des tubes 1. Il est ainsi possible de réduire encore le débit du gaz comprimé
supplémentaire nécessaire à l'opération de nettoyage périodique.
La figure ~ montre schématiquement un élément élastique de structure différente pouvant etre utilise dans le cadre de l'invention. Sur cette figure, on a representé un tube 1 à llintérieur duquel l'élément élastique est constitué par un cable 20 présentant de faibles ondulations et muni dlune pluralité de pales 21 slétendant radialement et présentant un profil aérodynamique de façon à pouvoir être entraînées de manière tourbillonnaire dans l'écoulement gazeux parallèle à llaxe du tube 1. Les pales 21 provoquent alors le nettoyage par chocs et raclage comme précédemment.
Dans tous les cas, on notera qu'il est important que l'élément élastique const:itue par le ressort 5 ou par le câble 20 muni des allettes 21, ou encore par tout autre moyen équivalen-t, soit placé a l'interieur du tube 1 ou du canal vertical de l'echangeur, de façon à etre à proximite immediate de ses parois internes, sans toutefois entrer en contact avec lesdites parois lors du fonctionnement normal de l'echangeur de chaleur en-dehors des periodes de nettoyage. De ce fait~ la couche limite se trouve effectivement perturbee par des portions de l'élément elastique se trouvant au voisinage des paroi.s in-ternes des tubes 1 et le nettoyage est mieux assuré
lors de l'injection de gaz comprimé.
Dans les exemples illustrés, les éléments élastiques ont ete fixes rigidement à leurs extremi-tes supérieure et inférieure. On comprendra cependant qu'il serait possible d'envisager dans une variante de ne pas fixer les extrémités inférieures des élements elastiques. Ceux-ci restent alors libres de toute entrave au voisinage de leur extrémité infe-rieure 7 et peuvent en quelque sorte flotter dans l'ecoulement gazeux. Les caractéristiques de vibra-tion entraînées par l'injection de gaz comprime supplemen-taire et l'ecoulemen-t gazeux induit sont alors differentes et peuvent etre adaptees à certains problèmes particuliers de colmatage.
1~
Claims (23)
1. Procédé automatique de nettoyage périodique des surfaces d'un échangeur de chaleur pour fluides gazeux s'écoulant dans des canaux verticaux définis entre lesdites surfaces, au moyen d'éléments élasti-ques disposés en permanence dans lesdits canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage desdites surfaces, caractérisé par le fait que la mise en vibration des éléments élastiques est faite successivement pour au moins un groupe de canaux de l'échangeur de chaleur au moyen d'une injection d'un gaz comprime supplémentaire dans une position telle qu'elle induise dans ledit groupe de canaux, un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur.
2. Procédé automatique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la commande d'in-jection de gaz supplémentaire est faite manuellement par intermittence.
3. Procédé selon la revendication 1, caracté-risé par le fait que la commande d'injection de gaz supplémentaire est faite selon une séquence détermi-née pour chaque groupe de canaux de l'échangeur sous le contrôlé d'un automatisme de pilotage.
4. Procédé selon la revendication 1, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite dans l'axe ou dans le plan de symé-trie des canaux.
5. Procédé selon la revendication 2, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite dans l'axe ou dans le plan de symé-trie des canaux.
6. Procédé selon la revendication 3, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite dans l'axe ou dans le plan de symé-trie des canaux.
7. Procédé selon la revendication 1, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite de manière inclinée par rapport à
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
8. Procédé selon la revendication 2, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite de manière inclinée par rapport à
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
9. Procédé selon la revendication 3, caracté-risé par le fait que l'injection de gaz supplémen-taire est faite de manière inclinée par rapport à
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
l'axe ou au plan de symétrie des canaux.
10. Procédé selon les revendications 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'injection de gaz supplémentaire est faite au moyen de tuyères placées dans une position en amont de l'ouverture de chaque canal.
11. Procédé selon les revendications 7, 8 ou 9, caractérisé par le fait que l'injection de gaz supplémentaire est faite au moyen de tuyères placées dans une position en amont de l'ouverture de chaque canal.
12. Dispositif automatique de nettoyage pé-riodique des surfaces d'un échangeur de chaleur pour fluides gazeux s'écoulant dans des canaux verticaux définis entre lesdites surfaces, comportant des éléments élastiques disposes en permanence dans lesdits canaux et capables d'être mis en vibration afin d'effectuer le nettoyage desdites surfaces, caractérise par le fait qu'il comprend des conduites d'injection de gaz comprime supplémentaire débouchant devant les ouvertures de groupes de canaux et un dispositif de commande d'injection adapte pour commander successivement et périodiquement pour chaque groupe de canaux, une injection de gaz com-primé supplémentaire induisant dans le groupe de canaux un débit de fluide gazeux provenant de l'échangeur, provoquant la mise en vibration des éléments élastiques se trouvant dans ledit groupe de canaux.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont fixes au moins à leur extrémité haute voisine de l'ouverture supérieure des canaux.
14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont fixes à leurs deux extrémités au voisinage des extrémités des canaux.
15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les conduites d'injection comportent les tuyères d'injection dirigeant l'écou-lement de gaz comprimé supplémentaire vers l'ouvertu-re supérieure des canaux.
16. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les conduites d'injection comportent les tuyères d'injection dirigeant l'écou-lement de gaz comprimé supplémentaire vers l'ouvertu-re supérieure des canaux.
17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les conduites d'injection comportent les tuyères d'injection dirigeant l'écou-lement de gaz comprimé supplémentaire vers l'ouvertu-re supérieure des canaux.
18. Dispositif selon les revendications 15, 16 ou 17, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont fixés auxdites tuyères.
19. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont disposés dans les canaux au voisinage immédiat de leurs parois internes, sans toutefois entrer en contact avec lesdites parois lors du fonctionnement normal de l'échangeur, en dehors des périodes de nettoyage.
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont constitués par des fils métalliques enroulés en hélice.
21. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que les éléments élastiques sont constitués par des fils métalliques munis d'une pluralité de pales s'étendant radialement
22. Dispositif selon la revendication 12, adapte à un échangeur de chaleur tubulaire, caracté-risé par le fait que chaque tube est équipé inté-rieurement d'un élément élastique et coopérant avec une tuyère d'injection communiquant avec un conduit d'injection de gaz supplémentaire sous pression.
23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé par le fait que l'extrémité supérieure de chaque tube comporte une pièce d'embouchure de profil convergent coopérant avec la tuyère d'injection pour augmenter le débit de fluide gazeux induit par l'injection de gaz comprimé supplémentaire.
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