FR2549589A3 - High-temperature fume heat recuperator - Google Patents
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Abstract
Description
RECUPERATEUR DE CHALEUR DE FUMEES A TEMPERATURE ELEVEE
L'invention concerne un récupérateur de fumées b température élevée, notamment pour four de réchauffage de produits sidérurgiques, tels que des brames d'acier. Le récupérateur considéré est du type comprenant une veine pour la circulation des fumées chaudes à refroidir et une veine pour la circulation d'un fluide froid à réchauffer , les deux veines étant séparées par une paroi d'échange thermique.HIGH TEMPERATURE SMOKE RECOVERY
The invention relates to a high temperature fume recuperator, in particular for a furnace for reheating steel products, such as steel slabs. The recuperator considered is of the type comprising a vein for the circulation of hot fumes to be cooled and a vein for the circulation of a cold fluid to be heated, the two veins being separated by a heat exchange wall.
Les fours qui équipent les installations de laminoirs pour produits plats (trains à bandes ou à tales fortes) sont des outils de masse et de gros consommateurs d'énergie. Pour fixer les idées, un train à bandes produisant 4 millions de tonnes d'acier par an comporte en général 3 à 4 de ces fours, dont chacun consomme environ 40 000 à 50 000 t.e.p. (tonne-équivalent de pétrole) de gaz ou de fuel lourd par an. The ovens that equip rolling mill installations for flat products (band or heavy gauge trains) are mass tools and large consumers of energy. To fix the idea, a strip train producing 4 million tonnes of steel per year generally comprises 3 to 4 of these ovens, each of which consumes approximately 40,000 to 50,000 t.e.p. (tonnes of oil equivalent) of gas or heavy fuel oil per year.
Les brames d'acier y sont réchauffées avant laminage à des températures élevées, (de l'ordre de 12000) et les fumées sortant de l'enceinte de combustion sont elles-mêmes à des températures de l'ordre de 10000C. Une partie de l'énergie thermique de ces fumées est cependant recyclée par l'intermédiaire d'un échangeur (ou récupérateur) placé sur le conduit des fumées et servant à préchauffer l'air de combustion envoyé aux brOleurs. Les récupérateurs actuels peuvent induire des économies de combustible de l'ordre de 1000 à 5000 tep. par four et par an. The steel slabs are reheated there before rolling at high temperatures (of the order of 12,000) and the fumes leaving the combustion chamber are themselves at temperatures of the order of 10,000C. Part of the thermal energy of these fumes is however recycled via an exchanger (or recuperator) placed on the flue pipe and used to preheat the combustion air sent to the burners. Current recuperators can induce fuel savings of the order of 1000 to 5000 toe. per oven and per year.
Les technologies des récupérateurs utilisés actuellement peuvent être réparties en trois familles
- les récupérateurs "céramique", constitués d'empilages réfractaires, admettent des fumées atteignant 14000C, mais sont handicapés dans leurs performances et dans leur exploitation par la contrainte d'un fonctionnement en dépression (ventilateur d'air situé entre le récupérateur et le four). Ces récupérateurs sont en voie d'être abandonnés ;
- les récupérateurs métalliques à rayonnement, qui équipent la plupart des fours à brames français, sont constitués d'une grosse conduite d'évacuation des fumées et d'une conduite concentrique externe, l'air parcourant l'espace annulaire.Ces appareils admettent des fumées à des températures allant jusqu'à 11000C, mais leurs rendements actuels sont inférieurs à 30 % malgré leurs dimensions imposantes (hauteurs de 11 ordre de 30m) ;
- les récupérateurs tubulaires à convection sont composés de tubes métalliques minces traversant le conduit des fumées et alimentés par de l'air à grande vitesse. La tenue des tubes limite à environ 9000C la température des fumées à l'entré ; aussi ce type d'appareil est-il parfois mis en série avec un récupérateur à rayonnement ("récupérateur mixte"). Pratiquement, les récupérateurs à convection conduisent toujours à des rendements de récupération satisfaisants (40 %), voire très bons (70 S) lorsqu'on les dote d'une grande surface d'échange.The technologies of recuperators currently used can be divided into three families
- "ceramic" recuperators, consisting of refractory stacks, admit fumes reaching 14000C, but are handicapped in their performance and in their operation by the constraint of a vacuum operation (air fan located between the recuperator and the oven ). These recuperators are being abandoned;
- the metallic radiators, which equip most French slab ovens, consist of a large smoke evacuation pipe and an external concentric pipe, the air passing through the annular space. smoked at temperatures up to 11000C, but their current yields are less than 30% despite their imposing dimensions (heights of 11 in the order of 30m);
- tubular convection recuperators are made up of thin metal tubes crossing the flue pipe and supplied with air at high speed. The holding of the tubes limits the temperature of the fumes at the inlet to around 9000C; this type of device is therefore sometimes placed in series with a radiation recuperator ("mixed recuperator"). In practice, convection recuperators always lead to satisfactory recovery yields (40%), or even very good (70%) when they are provided with a large exchange surface.
Pour améliorer la récupération sur les fours actuels, il ne suffit pas pour autant de remplacer leurs récupérateurs à rayonnement par des appareils à convection. En effet, les températures de fumées pratiquées dépassent souvent 10000C et la protection des tubes convectifs ne peut être assurée de manière satisfaisante par la seule dilution des fumées : ceci conduirait à perdre sur l'efficacité de échange ou à surdimensionner l'appareil. To improve the recovery on current ovens, it is not enough to replace their radiant heaters with convection devices. Indeed, the smoke temperatures practiced often exceed 10000C and the protection of the convective tubes cannot be ensured satisfactorily by the mere dilution of the fumes: this would lead to losing on the exchange efficiency or oversizing the device.
Pratiquement, l'on est souvent amené à appliquer la solution mixte, consistant à protéger le récupérateur à convection par une première partie à rayonnement. In practice, it is often necessary to apply the mixed solution, consisting in protecting the convection recuperator by a first radiation part.
Mais, cette solution conduit à un investissement élevé (de l'ordre de 10 y du prix d'un nouveau four) et à des travaux de grande envergure (immobilisation d'un four sur au moins 1 mois) qui ne pourront être réalisés sur les fours d'une batterie que de manière échelonnée dans le temps (sur une période de 5 ans par exemple). However, this solution leads to a high investment (of the order of 10 y the price of a new oven) and to large-scale work (immobilization of an oven for at least 1 month) which cannot be carried out on battery ovens only over time (over a period of 5 years for example).
I1 apparait alors particulièrement intéressant d'améliorer les appareils à rayonnement actuels. Tel est le but de l'invention. I1 then appears particularly interesting to improve the current radiation devices. This is the object of the invention.
Ce but est atteint grâce à un corps placé dans la veine de fumées, présentant une surface ayant des propriétés rayonnantes, et sensiblement exempt de ponts thermiques avec la paroi d'échange. Ce corps sert alors de relais radiatif. This object is achieved thanks to a body placed in the smoke stream, having a surface having radiating properties, and substantially free of thermal bridges with the exchange wall. This body then serves as a radiative relay.
L'inventeur a pu montrer que cette disposition est d'autant plus efficace que la température élevée du corps sert exclusivement aux transferts par rayonnement, et non par conduction, vers la paroi d'échange. The inventor has been able to show that this arrangement is all the more effective when the high temperature of the body is used exclusively for transfers by radiation, and not by conduction, to the exchange wall.
Avantageusement, le corps est suspendu dans la veine de fumées, laquelle est verticale. Advantageously, the body is suspended in the smoke stream, which is vertical.
Selon un premier mode de réalisation, le corps affecte la forme d'un ou plusieurs panneaux disposés dans des plans diamétraux de la veine de fumées. According to a first embodiment, the body takes the form of one or more panels arranged in diametrical planes of the smoke stream.
Selon un deuxième mode de rSalisation, le corps affecte la forme d'un cône dont le sommet est tourné vers l'amont de la veine de fumées, dans le sens de circulation des fumées. According to a second embodiment, the body assumes the shape of a cone, the apex of which is turned upstream of the smoke stream, in the direction of circulation of the smoke.
Selon un troisième mode de réalisation, le corps affecte la forme d'une bande hélicoidale coaxiale à la veine de fumées. According to a third embodiment, the body takes the form of a helical band coaxial with the smoke stream.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante des trois modes préférés de réalisation. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une coupe transversale d'un récupérateur équipé du premier mode de réalisation de corps radiatif ;
- les figures 2 et 3 sont des coupes diamétrales verticales d'un récupérateur équipé respectivement des deuxième et troisième modes de réalisation de corps radiatif.The invention will be better understood on reading the following description of the three preferred embodiments. Reference will be made to the appended drawings on which
- Figure 1 is a cross section of a recuperator equipped with the first embodiment of the radiative body;
- Figures 2 and 3 are vertical diametrical sections of a recuperator equipped respectively with the second and third embodiments of the radiative body.
Les figures 1 à 3 montrent la veine cylindrique verticale 1 de circulation de fumées, entourée concentriquement par la veine annulaire 2 de circulation d'air. La veine 2 peut être le cas échéant constituée de deux tronçons 2a, 2b dans lesquels l'air circule respectivement à co-courant et à contre-courant des fumées de la veine 1. L'air froid est introduit par les conduites 3 placées en extrémité, et récupéré après son réchauffage, par les conduites intermédiaires 4. Figures 1 to 3 show the vertical cylindrical stream 1 of smoke circulation, concentrically surrounded by the annular stream 2 of air circulation. The vein 2 can if necessary be made up of two sections 2a, 2b in which the air circulates respectively in co-current and against the current of the fumes from the vein 1. The cold air is introduced by the conduits 3 placed in end, and recovered after reheating, by intermediate pipes 4.
Les fumées circulent de bas en haut de la veine 2, dans laquelle elles entrent à des températures de l'ordre de 10000C à 12000, en provenance de l'enceinte de combustion d'un four de réchauffage de brames (non représenté). The fumes circulate from bottom to top of the stream 2, into which they enter at temperatures of the order of 10000C to 12000, coming from the combustion chamber of a slab reheating furnace (not shown).
Les veines 2 et 3 sont séparées par la paroi cylindrique d'échange thermique 5. The veins 2 and 3 are separated by the cylindrical heat exchange wall 5.
Sur la figure 1, le corps rayonnant 6 est un croisillon constitué par deux plaques métalliques perpendiculaires, placées dans des plans diamétraux de la veine 1, et donc n'entravant pas le passage des fumées. Le corps est de préférence suspendu dans la veine par une suspension non représentée. Il- peut également être maintenu sur la paroi d'échange 5 par des liaisons mécaniques thermiquement isolantes, l'essentiel étant de minimiser les ponts thermiques entre le corps 6 et ladite paroi 5, afin de permettre à la plaque d'atteindre une température élevée augmentant le rayonnement émis (lequel croit avec le puissance quatrième de la température). In FIG. 1, the radiating body 6 is a cross-piece constituted by two perpendicular metal plates, placed in diametrical planes of the vein 1, and therefore not impeding the passage of the fumes. The body is preferably suspended in the vein by a suspension not shown. It can also be maintained on the exchange wall 5 by thermally insulating mechanical connections, the main thing being to minimize the thermal bridges between the body 6 and said wall 5, in order to allow the plate to reach a high temperature. increasing the radiation emitted (which increases with the fourth power of temperature).
Selon un autre aspect de l'invention, on tente également d'améliorer la part (certes non prépondérante) d'échanges thermiques par convection, en donnant au corps interposé dans la veine de fumées la fonction additionnelle de rétablir dans la veine un régime d'écoulement transitoire. En effet, l'inventeur a découvert que la longueur d'établissement du régime turbulent dans la veine de fumée, laquelle dépend d'ailleurs de la géométrie exacte de l'entrée de la veine, est de plusieurs fois le diamètre de la veine, mais est toutefois inférieure en général å la longueur de celle-ci. Ors l'échange convectif est plus élevé dans la zone d'établissement du régime turbulent que dans la zone de régime turbulent établi.C'est pourquoi, selon l'invention, il est avantageux d'interposer dans la veine 1 un corps 6'- (fig. 2) ayant la forme d'un cône renversé dont la surface conique rayonnante augmente les échanges radiatifs tandis que le maltre-couple transversal du cône 6' impose aux fumées une modification de leur régime d'écoulement favorable aux échanges convectifs. Comme dans le mode de réalisation précédent, le cne-turbuleur 6' est sensiblement exempt de ponts thermiques avec la paroi 5. According to another aspect of the invention, an attempt is also made to improve the share (admittedly not preponderant) of thermal exchanges by convection, by giving the body interposed in the smoke stream the additional function of restoring in the vein a regime of transient flow. Indeed, the inventor has discovered that the length of establishment of the turbulent regime in the smoke stream, which moreover depends on the exact geometry of the inlet of the stream, is several times the diameter of the stream, but is however generally less than the length thereof. However, the convective exchange is higher in the zone of establishment of the turbulent regime than in the zone of established turbulent regime. This is why, according to the invention, it is advantageous to interpose in the vein 1 a body 6 ' - (fig. 2) having the shape of an inverted cone whose radiating conical surface increases the radiative exchanges while the transverse maltre-couple of the cone 6 'imposes on the fumes a modification of their flow regime favorable to convective exchanges. As in the previous embodiment, the cone-turbulator 6 ′ is substantially free of thermal bridges with the wall 5.
Le mode de réalisation de la figure 3 combine les avantages de deux modes de réalisation précédents : très grande surface rayonnante, et entretien permanent du régime transitoire d'écoulement des- fumées. The embodiment of FIG. 3 combines the advantages of two previous embodiments: very large radiating surface, and permanent maintenance of the transient smoke flow regime.
Le corps 6" affecte à cet effet la forme d'une bande hélicoidale, coaxiale à la veine de fumées 1, et d'une largeur légèrement inférieure au rayon d'une section circulaire de cette veine. Là encore, le corps 6" peut être suspendu dans la veine ou fixé à la paroi par des fixations thermiquement isolantes. The body 6 "for this purpose takes the form of a helical band, coaxial with the smoke stream 1, and of a width slightly less than the radius of a circular section of this vein. Here again, the body 6" can be suspended in the vein or fixed to the wall by thermally insulating fixings.
Claims (5)
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ID=9291009
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