EP0395457B1 - Process and apparatus for heating a flow of a gaseous fluid by successive heat exchanges - Google Patents
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- EP0395457B1 EP0395457B1 EP90400708A EP90400708A EP0395457B1 EP 0395457 B1 EP0395457 B1 EP 0395457B1 EP 90400708 A EP90400708 A EP 90400708A EP 90400708 A EP90400708 A EP 90400708A EP 0395457 B1 EP0395457 B1 EP 0395457B1
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- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
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- F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for heating a flow of gaseous fluid, in particular that of air.
- the first two systems appeared to be unsuitable for the present case, due in particular to the mixture between the products of combustion and the air to be heated and the cost of electrical energy, in particular in winter.
- the invention proposes a new type of heating system making it possible to increase the efficiency of the device, in particular by providing several exchange stages and by reducing, on each stage, the temperature differences. between the heating products and the heated products.
- a well-studied system for recovering calories also makes it possible to produce a high-performance heating device, flexible to use, reliable and less expensive than existing devices.
- Publication CH-A-428 140 thus proposes a heat generator comprising three exchangers in series where the first and third exchangers heat a gas stream by indirect heat exchanges with combustion products.
- this device does not allow the same gas flow to be heated in several exchange steps, since the second exchanger, which receives the fumes from the first, is used to heat a liquid (water), while the third exchanger, which receives the second flue gas, used to heat a different volume of air than that heated by the first exchanger.
- the invention also relates to a heating device for heating the same gaseous fluid flow in several stages of heat exchange, this device comprising a first, a second and a third exchanger each with an internal volume, these volumes communicating with each other in pairs to successively receive said flow of fluid which heats up via heat exchange pipes which pass or wind through each of the exchangers and in which a thermal fluid circulates, the thermal fluid circulating in said pipes, which are interconnected, first and third exchangers consisting of combustion products, said gaseous fluid being thus heated in each of the three exchangers before being recovered by a recovery pipe connected at the outlet of the third exchanger.
- FIG. 1 If we refer first to FIG. 1, we therefore see illustrated a heating device for gaseous fluid, marked 1.
- the apparatus 1 comprises three successive chambers forming heat exchangers 3, 5, 7 and arranged in series, one after the other.
- the first exchanger 3 comprises an enclosure with walls 6 which can be metallic defining a chamber with an interior volume 8 into which opens, at one end, an inlet pipe 9 for admitting the flow of fluid to be heated (such as air).
- At least one recycling pipe 11 which may have exchange fins 12 and in which it is planned to circulate gaseous combustion products for indirect heat exchange with the flow of fluid passing through the volume 8, and before these same combustion products are evacuated from the exchanger 3, via the recovery pipe 13 to which the pipe 11 is connected.
- the interior chamber of the first exchanger 3 is connected, via a connection pipe 17, to one end of the interior volume 15 of the second exchanger 5, of so as to supply this exchanger with preheated gaseous fluid.
- This exchanger 5 can in particular be produced so that its internal chamber 15 is limited by metal walls 19 covered externally with a thermally insulating sheath 21.
- a heat exchange battery 23 comprising several tubes (possibly with fins) 25 extending substantially perpendicular to the direction of circulation of the gaseous fluid in the chamber 15 (direction materialized by the arrow 27 ). These different tubes 25 are connected towards their two opposite ends to two collectors 29, 31.
- a pipe 33 for supplying heat transfer fluid.
- heat transfer fluid or thermal fluid provision may in particular be made for the use of steam or synthetic oil.
- a purge valve 36 advantageously making it possible to regulate the evacuation of these condensates.
- the chamber 15 communicates with the interior volume of the third heat exchanger 7, by means of a connection channel 37 opening, on one side, into the lower part of the chamber 15 and, on the other, in the upper part of the interior volume of the third exchanger 7.
- this exchanger 7 is divided into a large internal chamber 39 externally limited by thermally conductive walls (in particular metallic) 41, themselves arranged at a certain distance from a thermally insulated outer enclosure 43.
- connection channel 37 between the exchangers 5 and 7 will pass locally and in the upper part of the enclosure 43 to open at one end of the space 45 whose width l will be sufficient to ensure correct circulation of the flow of fluid around and in contact with the conductive outer walls 41 of the inner chamber 39.
- the chamber 39 communicates with the space 45 through a communication orifice 47, so that the gaseous fluid which has circulated in this space 45 can penetrate inside the chamber 39 to undergo a new heat exchange with combustion products circulating inside the exchange tubes 51 connected, upstream to the burners 53 which can in particular be supplied with combustible gas and combustion air .
- exchange tubes 51 it is preferable to use radiant tubes, for example U tubes. extending widely into the interior chamber 39 before being connected, passing through the enclosure 43, each to a recovery pipe 55 provided for recycling the combustion products from the third exchanger 7 to the pipe 11 of the first exchanger 3.
- the chamber 39 is connected locally and preferably in the upper part, to a recovery pipe 57.
- this pipe 57 will be connected to the chamber 39 in a place capable of promoting a circulation of the gaseous fluid to be heated therein which is generally oriented in a direction transverse to that in which the tubes 51 extend which will then preferably be arranged substantially parallel each other.
- the chamber 39 may also be equipped, at the connection of the pipe 57, with a deflector 59.
- these can be made with heat exchange fins, as shown at 67 in Figure 1, these fins then preferably extending transversely to the general direction (shown in 69) of the flow of gaseous fluid inside the chamber 39.
- FIG 2 there is schematically illustrated in perspective view with cutaway the chamber 39 in which are disposed radiating tubes 51 'bent extending substantially parallel over the entire length of the chamber.
- These radiant tubes 51 ′ which may have a metallic radiation surface, are in this case devoid of fins.
- convection means for example in the form of plates 71 with metallic convection surfaces, capable of absorbing the energy radiated by the tubes so as to heat in particular by convection in contact with these plates the fluid (shown diagrammatically by the double arrow 73) which is always admitted into the chamber 39 through the orifice 47.
- the convection plates 71 will be equipped on their two opposite faces with heat exchange fins 75 advantageously extending transversely relative to the direction in which a circulation of the fluid is favored inside the chamber 39.
- the plates 71 will preferably be arranged so as to constitute, with respect to each other, baffles extending the path of the fluid inside the chamber 39 and promoting its stirring, the fluid thus recovering the calories concentrated around the plates, between the fins 75, which may in particular be metallic.
- the gaseous fluid to be heated for example air
- This fluid which can, for example, be admitted at an ambient temperature of 25 ° C. heats up in contact with the coil formed by the transverse pipe 11 inside which therefore circulate the combustion products emanating from the burners 53, after these products have lost part of their calories by heat exchange in the third exchanger 7.
- the fluid current passes from the chamber 8 of the first exchanger to the chamber 15 of the second exchanger 5 where it is again heated by indirect heat exchange essentially through the exchange walls of the battery of tubes 25 inside which therefore circulates a vaporized thermal fluid, such as for example water vapor which can be admitted under a pressure of the order of 10 to 15 bars and with a temperature of the order of 230 to 260 ° C.
- a vaporized thermal fluid such as for example water vapor which can be admitted under a pressure of the order of 10 to 15 bars and with a temperature of the order of 230 to 260 ° C.
- the gaseous fluid which enters the second exchanger 5 for example at a temperature of 60 to 80 ° C can exit therefrom at 180 or even 200 ° C, or even possibly more, the thermal gradient of heating can be adapted thanks to the regulator 63 which will preferably be programmed so that variations in heat flow rates are primarily absorbed by the vaporized thermal fluid, thus making it possible to minimize sudden thermal variations at the level of the burners 53 and the radiant tubes 51 of the third exchanger 7.
- the fluid to be heated will therefore first of all circulate essentially in contact with the outer walls thermally conductors of this chamber 39, thus recovering in particular by convection part of the calories contained in the chamber 39 and released via the wall 41 of the latter, either by the current of circulating fluid, or by the radiant tubes 51 or 51 'and / or by the convection plates 71 and their fins 75 (see FIG. 2).
- the energy thus radiated can be absorbed and then returned to the fluid which will thus be heated in chamber 39 by convection by circulating in contact with the convection surfaces provided for this purpose, before to be evacuated at a temperature which can generally be estimated between 350 and 450 ° C, via the recovery pipe 57 where the thermal sensor 61 will allow the regulator 63 to dose the supply, on the one hand in thermal fluid vaporized from the second exchanger 5 and, secondly, fuel from the burners 53, via the valves 38 and 65 respectively, preferably with priority to the "steam" circuit of the exchanger 5.
Abstract
Description
L'invention concerne un procédé et un appareil de chauffage d'un flux de fluide gazeux, tel en particulier que de l'air.The invention relates to a method and an apparatus for heating a flow of gaseous fluid, in particular that of air.
La production de gaz et en particulier d'air chaud à haute température (pouvant être estimée à priori entre 350 et 450°C) avec un débit important (par exemple de l'ordre de 10 000 à 30 000 Nm³.h) est actuellement réalisée :
- par chauffage direct du flux d'air via des produits de combustion gazeux produits par un brûleur à gaz, le flux d'air et les produits de combustion entrant en contact et se mélangeant,
- ou par réchauffage indirect de l'air au moyen de résistance électriques,
- ou encore par réchauffage indirect d'air via un échange thermique sans contact direct entre cet air et un ou plusieurs fluide(s) caloporteur(s) chauffé(s) au gaz ou au fuel.
- by direct heating of the air flow via gaseous combustion products produced by a gas burner, the air flow and the combustion products coming into contact and mixing,
- or by indirect heating of the air by means of electrical resistance,
- or by indirect heating of air via a heat exchange without direct contact between this air and one or more heat transfer fluid (s) heated with gas or fuel oil.
Les deux premiers systèmes sont apparus inadaptés au cas d'espèce, du fait respectivement notamment du mélange entre les produits de combustion et l'air à réchauffer et du coût de l'énergie électrique, en particulier en hiver.The first two systems appeared to be unsuitable for the present case, due in particular to the mixture between the products of combustion and the air to be heated and the cost of electrical energy, in particular in winter.
Quant aux réchauffeurs indirects, s'ils constituent en pratique les seuls appareils (avec les réchauffeurs électriques) qui permettent de réchauffer indirectement de l'air à une température supérieure à environ 300°C, ils présentent malgré tout certains inconvénients parmi lesquels on peut noter :
- l'utilisation de parois en matériau réfractaire 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'échange entre les produits de combustion sortant du brûleur et l'air à réchauffer, ceci n'empêchant d'ailleurs pas de fréquentes fissurations des parois.
- the use of walls of refractory material which deteriorate fairly quickly as a result deviations in speed and successive restart operations imposed on the aircraft;
- the use also of special steels at the level of the exchange stage between the combustion products leaving the burner and the air to be heated, this moreover not preventing frequent cracking of the walls.
On peut enfin noter l'existence des pertes de charge importantes consécutives à la compacité recherchée de ces échangeurs.Finally, we can note the existence of significant pressure drops resulting from the desired compactness of these exchangers.
Pour remédier à ces imperfections des appareils connus, l'invention propose un nouveau type de système de chauffage permettant d'accroître le rendement de l'appareil notamment en prévoyant plusieurs étages d'échange et en réduisant, à chaque étage, les écarts de température entre les produits chauffants et les produits chauffés.To remedy these imperfections in known devices, the invention proposes a new type of heating system making it possible to increase the efficiency of the device, in particular by providing several exchange stages and by reducing, on each stage, the temperature differences. between the heating products and the heated products.
Un système très étudié de récupération des calories permet en outre de réaliser un appareil de chauffage performant, souple d'utilisation, fiable et moins onéreux que les appareils existants.A well-studied system for recovering calories also makes it possible to produce a high-performance heating device, flexible to use, reliable and less expensive than existing devices.
Dans le passé, on'a déjà proposé des générateurs de chaleur à échangeurs multiples.In the past, heat generators with multiple exchangers have already been proposed.
La publication CH-A-428 140 propose ainsi un générateur de chaleur comprenant trois échangeurs en série où le premier et troisième échangeurs chauffent un courant gazeux par échanges thermiques indirects avec des produits de combustion.Publication CH-A-428 140 thus proposes a heat generator comprising three exchangers in series where the first and third exchangers heat a gas stream by indirect heat exchanges with combustion products.
Toutefois, cet appareil ne permet pas de chauffer un même flux gazeux en plusieurs étapes d'échange, puisque le second échangeur, qui reçoit les fumées du premier, sert à échauffer un liquide (eau), tandis que le troisième échangeur, qui reçoit les fumées du second, sert à chauffer un volume d'air différent de celui réchauffé par le premier échangeur.However, this device does not allow the same gas flow to be heated in several exchange steps, since the second exchanger, which receives the fumes from the first, is used to heat a liquid (water), while the third exchanger, which receives the second flue gas, used to heat a different volume of air than that heated by the first exchanger.
Dans le but donc en particulier d'améliorer le rendement thermique d'une installation de chauffage d'un unique fluide gazeux, l'invention propose un procédé perfectionné qui se caractérise en ce que :
- a) on fait tout d'abord subir au fluide en question un premier échange thermique avec des produits de combustion ayant une température supérieure à celle dudit flux de fluide,
- b) on fait ensuite subir à ce même flux un second échange thermique avec un fluide caloporteur,
- c) puis, on fait subir toujours au même flux un troisième échange thermique avec lesdits produits de combustion avant que ces derniers soient utilisés lors du premier échange thermique.
- a) the fluid in question is first subjected to a first heat exchange with combustion products having a temperature higher than that of said fluid flow,
- b) this same flow is then subjected to a second heat exchange with a heat transfer fluid,
- c) then, the same flow is always subjected to a third heat exchange with said combustion products before the latter are used during the first heat exchange.
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.
- transfer the heat energy contained in the combustion products by radiation,
- absorb the energy thus radiated by convection surfaces,
- and then essentially heating by convection said fluid flow which will then advantageously be circulated in contact with said convection surfaces.
Conformément à une caractéristique complémentaire de l'invention, il est même apparu a priori préférable de réaliser un quatrième échange thermique entre le flux de fluide sortant de l'échange thermique effectué suivant l'étape b) susmentionnée 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).In accordance with an additional characteristic of the invention, it even appeared a priori preferable to carry out a fourth heat exchange between the flow of fluid leaving the heat exchange carried out according to step b) above and the flow of fluid undergoing the heat exchange according to step c), then essentially circulating the flow of fluid leaving the exchange carried out according to said step b) around and in contact with thermally conductive walls externally limiting an interior volume in which the heat exchange is carried out following step c).
Comme mentionné en tête de la présente description, l'invention se rapporte également à un appareil de chauffage pour chauffer en plusieurs étapes d'échanges thermiques un même flux de fluide gazeux, cet appareil comprenant un premier, un second et troisième échangeurs avec chacun un volume intérieur, ces volumes communiquant entre eux deux à deux pour recevoir successivement ledit flux de fluide qui s'échauffe via des conduites d'échange thermique qui passent ou serpentent dans chacun des échangeurs et dans lesquelles circule un fluide thermique, le fluide thermique circulant dans lesdites conduites, qui sont reliées entre elles, des premier et troisième échangeurs consistant en des produits de combustion, ledit fluide gazeux étant ainsi chauffé dans chacun des trois échangeurs avant d'être récupéré par une conduite de récupération raccordée en sortie du troisième échangeur.As mentioned at the beginning of this description, the invention also relates to a heating device for heating the same gaseous fluid flow in several stages of heat exchange, this device comprising a first, a second and a third exchanger each with an internal volume, these volumes communicating with each other in pairs to successively receive said flow of fluid which heats up via heat exchange pipes which pass or wind through each of the exchangers and in which a thermal fluid circulates, the thermal fluid circulating in said pipes, which are interconnected, first and third exchangers consisting of combustion products, said gaseous fluid being thus heated in each of the three exchangers before being recovered by a recovery pipe connected at the outlet of the third exchanger.
Les caractéristiques de l'invention qui viennent d'être présentées, 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.
- FIG. 1 is a schematic overview of a possible embodiment of the heating apparatus of the invention,
- and FIG. 2 schematically illustrates a detail of an interior part of the third exchanger.
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.If we refer first to FIG. 1, we therefore see illustrated a heating device for gaseous fluid, marked 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.The apparatus 1 comprises three successive chambers forming
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 une extrémité, une tubulure d'entrée 9 pour l'admission du flux de fluide à chauffer (tel que de l'air).As illustrated, the first exchanger 3 comprises an enclosure with walls 6 which can be metallic defining a chamber with an
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 est raccordée la canalisation 11.Inside the
Sensiblement à l'opposé de la tubulure d'entrée de fluide 9, la chambre intérieure du premier échangeur 3 est raccordée, par l'intermédiaire d'une tubulure de raccordement 17, à une extrémité du volume intérieur 15 du second échangeur 5, de façon à assurer l'alimentation de cet échangeur en fluide gazeux préchauffé.Significantly opposite the fluid inlet pipe 9, the interior chamber of the first exchanger 3 is connected, via a
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 thermiquement isolante 21.This
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 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 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.Inside the
De façon à obtenir également une régulation du débit de fluide thermique admis dans la batterie d'échange 23, il est apparu préférable de disposer sur la conduite d'admission 33 une vanne de régulation 38.So as to also obtain a regulation of the flow rate of thermal fluid admitted into the
Vers son extrémité opposée à la tubulure 17, la chambre 15 communique avec le volume intérieur du troisième 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.Towards its end opposite to the
Comme cela est clairement illustré toujours sur la figure 1, le volume intérieur de cet échangeur 7 est divisé en une large chambre intérieure 39 limitée extérieurement par des parois 41 thermiquement conductrices (notamment métalliques), elles-mêmes disposées à une certaine distance d'une enceinte extérieure thermiquement isolée 43.As is still clearly illustrated in FIG. 1, the internal volume of this
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 l 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.In practice, the
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 façon 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.Noticeably opposite the
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'échange 51 chacun relié, à l'extérieur mais à proximité immédiate de l'enceinte 43, à un brûleur 53.In order to limit the problems linked to a faulty operation of a burner, it has been provided in the invention to preferably use
En tant que tubes d'échange 51, on utilisera de préférence des tubes radiants, par exemple des tubes en U s'étendant largement dans la chambre intérieur 39 avant d'être raccordés, en traversant l'enceinte 43, chacun à une canalisation de récupération 55 prévue pour recycler les produits de combustion issus du troisième échangeur 7 vers la canalisation 11 du premier échangeur 3.As
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 parallèlement les uns aux autres.In FIG. 1, it will also be noted that, to ensure the evacuation and recovery of the heated gas flow in the
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.To promote this circulation of the fluid to be heated, the
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 38 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.To this set, it also appeared useful to add a regulation system constituted by a
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.An important characteristic of the invention residing in the design of the
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.Of course, these can be made with heat exchange fins, as shown at 67 in Figure 1, these fins then preferably extending transversely to the general direction (shown in 69) of the flow of gaseous fluid inside the
Toutefois, sur la figure 2, on a illustré schématiquement en vue perspective avec arrachement la chambre 39 dans laquelle sont disposés des tubes radiants 51' 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 (schématisé par la double flèche 73) lequel est toujours admis dans la chambre 39 à travers l'orifice 47.However, in Figure 2, there is schematically illustrated in perspective view with cutaway the
De préférence, les plaques de convection 71 seront équipées sur leurs deux faces opposées d'ailettes d'échange 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.Preferably, the
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.It should be noted that, as illustrated in FIG. 2, the
Bien entendu, d'autres types de surfaces de convection structurellement différentes des plaques 71 pourraient être envisagées, sans sortir du cadre de l'invention.Of course, other types of structurally different convection surfaces of the
On va maintenant décrire brièvement le principe de fonctionnement de l'appareil qui a été décrit ci-dessus.We will now briefly describe the operating principle of the device which has been described above.
Ce fonctionnement est le suivant :This is how it works:
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 25°C 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 troisième échangeur 7.The gaseous fluid to be heated, for example air, is firstly introduced into the first exchanger 3 through the intake manifold 9. This fluid which can, for example, be admitted at an ambient temperature of 25 ° C. heats up in contact with the coil formed by the
Tandis que ces mêmes produits de combustion sont évacués via la conduite de récupération 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 à travers essentiellement les parois d'échange 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 température de l'ordre de 230 à 260°C.While these same combustion products are evacuated via the
De cette façon, le fluide gazeux qui entre dans le second échangeur 5 par exemple à une température de 60 à 80°C peut en sortir à 180 voire 200°C, 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.In this way, the gaseous fluid which enters the
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.Leaving the
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 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).Given the location of the
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 à 1200°C).However, most of the heat exchange conducted inside the
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 450°C, 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.By providing convection plates 71 (preferably with fins) the energy thus radiated can be absorbed and then returned to the fluid which will thus be heated in
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.It will be noted that with such a heating process, without direct contact between the gaseous fluid to be heated and the heat transfer fluids for heating, it will be possible to deliver at the outlet of the apparatus a hot fluid at high temperature free of pollution which can for example be used. in the agro-food or pharmaceutical industry, especially for drying products or for various heat treatments.
Claims (10)
- Process for heating a stream of gaseous fluid, characterised in that:a) the stream of fluid to be heated is firstly subjected to a first heat exchange with products of combustion having a temperature which is greater than that of the said stream of fluid;b) this same stream of fluid to be heated is then subjected to a second heat exchange with a heat-transfer fluid;c) the said stream of fluid to be heated is then subjected to a third heat exchange with the said products of combustion before the latter are used during the first heat exchange.
- Process according to Claim 1, characterised in that, before the second heat exchange, the temperature of the heat-transfer fluid used in this step is intermediate between the temperatures, before the heat exchange, of the products of,combustion used during the said first and third heat exchanges.
- Process according to Claim 1 or Claim 2, characterised in that, in order to perform the third heat exchange:- the thermal energy present in the products of combustion is transferred by radiation;- the energy thus radiated is absorbed by convection surfaces (41, 71, 75); and- the said stream of fluid to be heated which is circulated such that it is in contact with the said convection surfaces is heated substantially by convection.
- Process according to any one of the preceding claims, characterised in that a fourth heat exchange is performed between the stream of fluid to be heated and emerging from the heat exchange performed according to stage b) and the stream of fluid to be heated being subjected to the heat exchange according to stage c), substantially as a result of circulation of the said stream of fluid emerging from the heat exchange performed according to stage b) around and in contact with heat-conducting walls (41) which delimit externally an inner space (39) inside which the heat exchange according to stage c) is performed.
- Heating apparatus for heating in several heat exchange stages a given stream of gaseous fluid comprising a first (3), a second (5) and a third (7) heat exchanger each with an inner space (8; 15; 39, 45), which spaces communicate with one another in pairs in order to receive successively the said stream of fluid which is heated via heat exchange conduits (11; 25, 51, 51') which pass or meander through each of the heat exchangers and in which a thermal fluid circulates, the said thermal fluid circulating in the said conduits (11; 51, 51'), which are connected to one another, the first and third heat exchangers (3, 7) consisting of products of combustion, the said stream of gas being heated in this way in each of the three heat exchangers before being recovered by means of recovery conduit (57) connected at the outlet of the third heat exchanger (7).
- Apparatus according to Claim 5 in which the heat exchange conduits (11; 51, 51') of the first and third heat exchangers (3, 7) are connected to one another without passing through the second heat exchanger (5) of which the exchange conduit (25) is supplied with a heat-transfer fluid other than the said products of combustion, such as a synthesis oil or steam, the said fluid to be heated circulating successively in the first (3), second (5) and then third heat exchanger (7).
- Apparatus according to Claim 5 or Claim 6, characterised in that the said exchange conduits of the third heat exchanger (7) comprise a plurality of conduits (51, 51') which are made of heat-conductive material and are each connected on the exterior of this heat exchanger, upstream, to a burner (53) supplying these conduits with the said combustion products of combustion.
- Apparatus according to Claim 7, characterised in that, inside the third heat exchanger (7), the said conduits (51, 51') are curved and extend in an internal chamber (39) which is delimited by heat-conductive walls (41) and which is disposed inside an enclosure (43) with external heat-insulating walls, the said enclosure communicating, for the circulation of the fluid to be heated, at one end with the inner space (15) of the said second heat exchanger (5) and at the other end with the said chamber (39) which it contains, which is connected to the said conduit (57) for recovering the heated gaseous fluid after it has circulated in the said chamber.
- Apparatus according to Claim 7 or Claim 8, characterised in that the said conduits (51') comprise radiating tubes at a distance from which there are disposed convection means (71, 75) which can absorb the energy radiated by the said conduits (51') and increase the temperature of the said gaseous fluid to be heated introduced into the third heat exchanger (7).
- Apparatus according to Claim 9, characterised in that the convection means (71, 75) consist of metal plates (71) equipped with heat exchange ribs (75) extending transversely relative to the preferred direction of circulation (69, 73) of the stream of fluid to be heated, inside the said third heat exchanger (7).
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