FR2617583A1 - Heat exchanger for gases at different temperatures, one of which is high or very high - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention a pour objet un échangeur de chaleur pour des gaz à températures fortement différentes et dont l'une est haute ou très haute. The invention relates to a heat exchanger for gases at strongly different temperatures and one of which is high or very high.
Les échangeurs de chaleur dans lesquels les deux fluides d'échange thermique sont gazeux sont actuellement réalisés principalement suivant deux types généraux, à savoir des échangeurs dits tubulaires dans lesquels au moins l'un des fluides circule dans un faisceau de tubes et les échangeurs dits à plaques dans lesquels chacun des fluides circule entre une entrée et une sortie de l'échangeur en empruntant un trajet ménagé par les espaces régnant entre des reliefs prévus sur la surface de plaques adjacentes accolées. Contrairement aux échangeurs de chaleur tubulaires qui sont des appareils relativement lourds, encombrants et chers, les échangeurs à plaques fournissent de bonnes caractéristiques d'échange sous un faible encombrement.Cependant, lorsqu'ils doivent être mis en oeuvre avec des gaz à températures fortement différentes ét dont l'une au moins est haute ou très haute, par exemple dans le cas de fluides dont l'un pénètre dans l'échangeur à une température comprise entre 600 e et 1.000 OC alors que l'autre pénètre dans l'échangeur à une température d'environ 10 C, les sollicitations imposées à l'échangeur en raison de ces différences de-température engendrent des contraintes telles que, à ce jour, elles ont empêché la réalisation de tels échangeurs à fonctionnement satisfaisant.En outre, lorsque les reliefs limitant les passages de fluide sont des ondulations, des nervures, des emboutis ou analogues formés à la surface des plaques mises en oeuvre, lesdits passages de circulation des fluides d'échange thermique sont trop fins pour pouvoir être nettoyés, ce qui rend les échangeurs à plaques connus de ce type inappropriés pour les applications dans lesquelles au moins un des gaz d'échange est chargé, même légèrement, en particules solides. Heat exchangers in which the two heat exchange fluids are gaseous are currently produced mainly according to two general types, namely so-called tubular exchangers in which at least one of the fluids circulates in a bundle of tubes and the so-called heat exchangers plates in which each of the fluids circulates between an inlet and an outlet of the exchanger by taking a path provided by the spaces prevailing between reliefs provided on the surface of adjoining adjacent boards. Unlike tubular heat exchangers which are relatively heavy, bulky and expensive devices, plate heat exchangers provide good exchange characteristics in a small footprint. However, when they have to be used with gases at strongly different temperatures and at least one of which is high or very high, for example in the case of fluids, one of which enters the exchanger at a temperature between 600 e and 1,000 OC while the other enters the exchanger at a temperature of around 10 C, the stresses imposed on the exchanger due to these temperature differences generate constraints such that, to date, they have prevented the production of such exchangers with satisfactory operation. reliefs limiting the fluid passages are undulations, ribs, stampings or the like formed on the surface of the plates used, said fluid circulation passages heat exchangers are too fine to be able to be cleaned, which makes known plate exchangers of this type unsuitable for applications in which at least one of the exchange gases is charged, even slightly, with solid particles.
Le besoin existe donc d'un échangeur de chaleur gaz/gaz à plaques, propre à fonctionner avec des gaz à des températures fortement différentes, dont l'un au moins peut être légèrement chargé en particules solides et est à température élevée ou très élevée, de l'ordre de 600 à l.000'C à son entrée dans l'échangeur. There is therefore a need for a gas / gas plate heat exchanger capable of operating with gases at very different temperatures, at least one of which may be slightly charged with solid particles and is at high or very high temperature, of the order of 600 to l000'C on entering the exchanger.
C'est, par conséquent, un but de l'invention de fournir un tel échangeur de chaleur qui, simultanément, soit de faible encombrement et qui soit aussi moins lourd et moins cher à fabriquer qu'un échangeur tubulaire correspondant susceptible de fonctionner avec au moins un gaz ayant les caractéristiques de température et de charge souhaitées. It is therefore an object of the invention to provide such a heat exchanger which, simultaneously, is compact and which is also lighter and less expensive to manufacture than a corresponding tubular exchanger capable of operating with at minus a gas having the desired temperature and charge characteristics.
C'est, aussi, un but de l'invention de fournir un tel échangeur de chaleur d'un entretien aisé, notamment en ce qui concerne son nettoyage. It is also an object of the invention to provide such a heat exchanger which is easy to maintain, in particular as regards its cleaning.
C'est, encoure, un but de l'invention de fournir un tel échangeur de chaleur à court temps de réponse, acceptant des variations brutales de débit. It is, of course, an object of the invention to provide such a heat exchanger with a short response time, accepting sudden variations in flow rate.
C'est, enfin, un but de l'invention de fournir un tel échangeur de chaleur dont le fonctionnement ne soit pas perturbé, même en cas de différences de pression entre les deux gaz d'échange thermique qui le traversent. It is, finally, an object of the invention to provide such a heat exchanger whose operation is not disturbed, even in the event of pressure differences between the two heat exchange gases which pass through it.
Un échangeur de chaleur à plaques gaz/gaz selon l'invention, comprenant des chambres de circulation d'air et des gaines de circulation de fumées adjacentes en alternance les unes aux autres, traversées à contre courant par l'air à réchauffer et les fumées à refroidir est caractérisé en ce que, pour tendre à rendre uniforme les conditions de température dans l'ensemble des chambres d'air, celles desdites chambres qui sont prévues sur les faces latérales de l'échangeur, -c'est-à-dire celles qui sont les plus distantes entre elles vues dans la direction perpendiculaire à celle de circulation des fumées-, sont munies de moyens permettant de diviser sensiblement par deux dans lesdites chambres le débit d'air et la surface d'échange thermique par rapport au débit d'air et à la surface d'échange d'une chambre intermédiaire comprise entre lesdites chambres latérales. A gas / gas plate heat exchanger according to the invention, comprising air circulation chambers and adjacent smoke circulation ducts alternating with one another, crossed against the current by the air to be heated and the fumes to be cooled is characterized in that, in order to tend to make the temperature conditions uniform throughout the air chambers, those of said chambers which are provided on the lateral faces of the exchanger, that is to say those which are the most distant from each other seen in the direction perpendicular to that of the smoke circulation, are provided with means making it possible to substantially divide by two in said chambers the air flow and the heat exchange surface with respect to the flow air and the exchange surface of an intermediate chamber between said side chambers.
On obtient ainsi dans une même section droite de l'échangeur, -prise perpendiculairement à la direction de circulation de l'air et des fumées dans l'échangeur-, des températures sensiblement analogues sur toutes les parois limitant les chambres d'air et les gaines de fumée dans ladite section. One thus obtains in the same cross section of the exchanger, taken perpendicular to the direction of circulation of the air and the fumes in the exchanger, substantially similar temperatures on all the walls limiting the air chambers and the smoke ducts in said section.
Les moyens prévus pour limiter le débit et la surface d'échange des chambres d'air latérales par rapport au débit et à la surface d'échange des autres chambres d'air comportent avantageusement des caches de forme appropriée pour masquer certains des passages existant dans lesdites chambres d'air et qui sont logés entre les plaques d'extrémi- tés latérales de l'échangeur et les plaques qui leur sont immédiatement adjacentes pour définir lesdites chambres latérales. The means provided for limiting the flow rate and the exchange surface of the lateral air chambers with respect to the flow rate and the exchange surface of the other air chambers advantageously include covers of suitable shape to mask some of the passages existing in said air chambers and which are housed between the lateral end plates of the exchanger and the plates which are immediately adjacent to them to define said lateral chambers.
Dans une réalisation avantageuse les caches sont conformés suivant des épingles à contour elliptique très -aplati. In an advantageous embodiment, the covers are shaped according to pins with a very flattened elliptical outline.
En variante, les caches sont de forme arrondie ou sont ménagés par des plats, ces indications n'ayant, bien entendu, aucun caractère limitatif. As a variant, the covers are of rounded shape or are formed by dishes, these indications having, of course, no limiting character.
Dans un échangeur de chaleur selon l'invention, dans lequel circulent des gaz à températures fortement différentes dont un au moins est à haute ou très haute température à son entrée dans l'échangeur, des mesures particulières doivent être prises aussi bien à la mise en service qu'à l'arrêt de l'échangeur et cela pour tenir compte des contraintes d'origine thermique susceptibles de prendre naissance dans les zones de liaison des collecteurs d'air ou des collecteurs dé fumées au reste de l'échangeur. In a heat exchanger according to the invention, in which gases at strongly different temperatures circulate, at least one of which is at high or very high temperature when it enters the exchanger, special measures must be taken as well when setting service only when the exchanger is stopped, and this to take account of thermal constraints likely to arise in the areas of connection of the air collectors or smoke collectors to the rest of the exchanger.
Une première mesure, selon l'invention, consiste à prévoir un volet mobile disposé dans l'échangeur au voisinage de l'entrée des chambres d'air latérales, ledit volet étant propre à obturer partiellement l'entrée desdites chambres lors de son actionnement par des moyens extérieurs à l'échan geur. A first measure, according to the invention, consists in providing a movable flap disposed in the exchanger in the vicinity of the inlet of the lateral air chambers, said flap being able to partially block the entrance to said chambers when it is actuated by means external to the exchanger.
Selon une autre mesure, les collecteurs d'air sont munis de moyens de calorifugeage interne suspendu évitant leur refroidissement d'une part et, d'autre part, une hotte extérieure aux collecteurs est reliée à des moyens d'alimentation en air chaud ou froid pour, à la mise en route ou à l'arrêt de l'échangeur, faciliter les variations rapides de régime de fonctionnement. According to another measure, the air collectors are provided with suspended internal insulation means preventing their cooling on the one hand and, on the other hand, a hood external to the collectors is connected to means for supplying hot or cold air to facilitate rapid variations in operating speed when starting or stopping the exchanger.
Selon encore une autre mesure, les collecteurs de fumées sont, quant à eux, munis d'un calorifugeage interne qui limite leur échauffement. According to yet another measure, the smoke collectors are, for their part, provided with an internal insulation which limits their heating.
L'invention sera bien comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel
- la figure 1 est une vue très schématique, en perspective, d'un échangeur de chaleur selon l'invention
- la figure 2 est une vue schématique en coupe selon un plan 2-2 de la figure 1
- la figure 3 est une vue schématique partielle analogue à la figure 2
- la figure 4 est une vue schématique, en perspective et avec arrachement, d'une extrémité longitudinale de l'écbangeur ;
- la figure 5 est une vue schématique, en coupe, par un plan longitudinal au voisinage de cette extrémité
- la figure 6 est une vue schématique en coupe montrant les moyens de réglage de débit d'air d'une chambre latérale de l'échangeur ; ;
- la figure 7 est une vue schématique partielle, en élévation, d'une plaque de chambre latérale d'échangeur selon l'invention
- la figure 8 est une vue en coupe, à plus grande échelle, selpn la ligne 8-8 de la figure 7.The invention will be better understood from the following description, given by way of example and with reference to the appended drawing in which
- Figure 1 is a very schematic perspective view of a heat exchanger according to the invention
- Figure 2 is a schematic sectional view along a plane 2-2 of Figure 1
- Figure 3 is a partial schematic view similar to Figure 2
- Figure 4 is a schematic view, in perspective and with cutaway, of a longitudinal end of the disconnector;
- Figure 5 is a schematic view, in section, through a longitudinal plane in the vicinity of this end
- Figure 6 is a schematic sectional view showing the air flow adjustment means of a side chamber of the exchanger; ;
- Figure 7 is a partial schematic view, in elevation, of a side exchanger chamber plate according to the invention
FIG. 8 is a sectional view, on a larger scale, according to line 8-8 of FIG. 7.
On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui illustrent schématiquement un échangeur de chaleur gaz/gaz selon l'invention. Dans un tel échangeur 10 des plaques 11, de forme générale rectangulaire, sont disposées adjacentes les unes aux autres limitant un volume parallélépipédique a section droite rectangulaire d'axe A.Les plaques 11 de l'échangeur 10 définissent entre elles une pluralité ' de gaines 12 dans lesquelles circule suivant la direction de la flèche F un premier fluide d'échange, par exemple des fumées, et des chambres 13 dans lesquelles circule, à contre-courant, c'est-à-dire suivant la direction de la flèche a, un second fluide d'échange, par exemple de l'air à réchauffer, l'emploi dans ce qui suit des termes "air" et "fumées" n'ayant, bien entendu, aucun caractère limitatif en ce qui concerne les fluides susceptibles de traverser l'échangeur 10. Reference is first made to FIGS. 1 and 2 which schematically illustrate a gas / gas heat exchanger according to the invention. In such an exchanger 10 plates 11, of generally rectangular shape, are arranged adjacent to each other limiting a parallelepiped volume with a rectangular cross section of axis A. The plates 11 of the exchanger 10 define between them a plurality of sheaths 12 in which circulates in the direction of arrow F a first exchange fluid, for example fumes, and chambers 13 in which circulates, against the current, that is to say in the direction of arrow a , a second exchange fluid, for example air to be heated, the use in the following of the terms "air" and "fumes" having, of course, no limiting character with regard to the fluids susceptible to cross the exchanger 10.
Les gaines 12 et les chambres 13 sont disposées en alternance entre une paroi latérale 14, - qualifiée de paroi "antérieure" pour la facilité de l'exposé--, et une paroi latérale "postérieure" 15, figure 2, lesdites parois étant constituées par des plaques de l'échangeur qui définissent ainsi une des faces des chambres latérales 131 et 13n dudit échangeur. The sheaths 12 and the chambers 13 are arranged alternately between a side wall 14, - qualified as an "anterior" wall for ease of presentation -, and a "posterior" side wall 15, FIG. 2, said walls being formed by plates of the exchanger which thus define one of the faces of the lateral chambers 131 and 13n of said exchanger.
L'air à réchauffer pénètre dans l'échangeur par un collecteur 20 et en sort par un collecteur 21, tandis que les fumées pénètrent dans l'échangeur par un collecteur 22 et en sortent par un collecteur 23, les températures d'entrée et de sortie d'air étant, respectivement, par exemple, de l'ordre de 10-C et 8700C tandis que les températures d'entrée et de sortie des fumées sont, respectivement, de 1.000* et 200-C. The air to be heated enters the exchanger by a collector 20 and leaves it by a collector 21, while the smoke enters the exchanger by a collector 22 and leaves it by a collector 23, the inlet and air outlet being, respectively, for example, of the order of 10-C and 8700C while the inlet and outlet temperatures of the fumes are, respectively, 1,000 * and 200-C.
Les plaques ll sont avantageusement du type illustré schématiquement sur les figures 2 et 3, c'est-à-dire munies sur une de leurs-faces de protubérances 25, comme des emboutis régulièrement disposés suivant des rangées 26 et des colonnes 27, figure 7, par exemple neuf rangées de quatre-vingt-dix emboutis chacune pour une plaque d'environ 3.000 mm de long sur 315 mm de large. Deux plaques 11 adjacentes étant disposées avec leurs protubérances 25 en regard, accolées et solida risées entre elles, comme montré sur la figure 2, il en résulte dans l'échangeur 10 des gaines 12 démunies de parties en saillie, et par conséquent propre à recevoir un fluide d'échange thermique partiellement chargé en particules solides, tandis que les chambres 13 définissent pour l'air un circuit autorésistant à la pression.The plates ll are advantageously of the type illustrated diagrammatically in FIGS. 2 and 3, that is to say provided on one of their faces with protuberances 25, like stampings regularly arranged in rows 26 and columns 27, FIG. 7 , for example nine rows of ninety stamps each for a plate about 3,000 mm long by 315 mm wide. Two adjacent plates 11 being arranged with their protuberances 25 facing each other, placed side by side and secured to one another, as shown in FIG. 2, this results in exchanger 10 of sheaths 12 devoid of projecting parts, and therefore suitable for receiving a heat exchange fluid partially loaded with solid particles, while the chambers 13 define a pressure-resistant circuit for the air.
En variante, les plaques 11 sont des plaques planes et les protubérances comme 25 dans les chambres d'air sont ménagées par des plots cylindriques soudés aux plaques en tôle par tous moyens appropriés. Alternatively, the plates 11 are flat plates and the protrusions as in the air chambers are formed by cylindrical studs welded to the sheet metal plates by any suitable means.
Dans encore une autre variante, l'échangeur est constitué à partir de plaques 11. munies de protubérances ou d'emboutis comme décrit ci-dessus et de plaques 11 constituées par des tôles planes, de sorte qu'une chambre d'air 13 est ménagée entre une plaque à emboutis et une plaque démunie d'emboutis, comme montré schématiquement sur la figure 3, une telle structure étant identique à celle précédemment décrite sous réserve d'une section droite plus faible des chambres d'air. In yet another variant, the exchanger is formed from plates 11. provided with protuberances or stampings as described above and plates 11 constituted by flat sheets, so that an air chamber 13 is formed between a stamped plate and a plate stamped without, as shown schematically in Figure 3, such a structure being identical to that previously described subject to a smaller cross section of the air chambers.
Quel que soit le mode de réalisation des chambres, l'invention prévoit que les chambres latérales 131 et 13n de l'échangeur, c'est-à-dire celles qui sont les plus distantes entre elles vues dans la direction perpendiculaire à la direction F de circulation des fumées soient munies de moyens permettant de diviser sensiblement par deux dans lesdites chambres le débit d'air et la surface d'échange thermique par rapport au débit d'air et à la surface d'échange thermique d'une chambre intermédiaire comme une chambre 13i. Pour ce faire, l'invention prévoit de placer dans lesdites chambres latérales 131 et 13n des caches destinés à masquer certains des passages limités dans lesdites chambres par les protubérances 25.Comme visible sur les figures 7 et 8, une première réalisation associe à un certain nombre de protubérances 25 des épingles 301, 302, etc... disposées suivant des rangées de protubérances 25 entre la plaque 15 et la plaque 11 qui lui est immédiatement adjacente, de sorte que certains des passages existant entre les protubérance 15 sont interdits à la circulation d'air diminuant ainsi le débit et la surface d'échange. Whatever the embodiment of the chambers, the invention provides that the lateral chambers 131 and 13n of the exchanger, that is to say those which are the most distant from each other seen in the direction perpendicular to the direction F of the smoke circulation are provided with means making it possible to divide the air flow and the heat exchange surface substantially in two in said chambers with respect to the air flow and to the heat exchange surface of an intermediate chamber as a room 13i. To do this, the invention provides for placing in said lateral chambers 131 and 13n covers intended to mask some of the passages limited in said chambers by the protrusions 25. As visible in FIGS. 7 and 8, a first embodiment associated with a certain number of protrusions 25 of pins 301, 302, etc ... arranged in rows of protrusions 25 between the plate 15 and the plate 11 which is immediately adjacent thereto, so that some of the passages existing between the protuberances 15 are prohibited air circulation thus reducing the flow rate and the exchange surface.
Comme montré sur la figure 7, les épingles 30 peuvent être réunies suivant des groupes 311, 312, 313, d'épingles parallèles, à nombre d'épingles différent dans chaque groupe et avantageusement décalés en quinconce suivant la hauteur d'une plaque 15 pour favoriser la circuLation d'air. Comme également montré sur la figure 7, les épingles 30 de forme elliptique allongée à extrémités arrondies présentent entre leur bords longitudinaux de courtes entretoises 32, aussi bien les profilés constitutifs des épingles que lesdites entretoises étant assemblés entre eux à l'aide de soudures soigneusement arasées pour éviter toute surépaisseur. As shown in FIG. 7, the pins 30 can be joined in groups 311, 312, 313, of parallel pins, with different number of pins in each group and advantageously staggered according to the height of a plate 15 for promote air circulation. As also shown in FIG. 7, the pins 30 of elongated elliptical shape with rounded ends have between their longitudinal edges short spacers 32, both the constituent profiles of the pins and the said spacers being assembled together using carefully leveled welds to avoid any excess thickness.
Une ou des épingles additionnelles de plus courte longueur, 33, disposée(s) au voisinage des coins des plaques peuvent avantageusement être prévues pour favoriser un balayage des chambres d'air au voisinage desdits coins par le fluide d'échange thermique qui circule dans lesdites chambres. One or more additional pins of shorter length, 33, disposed in the vicinity of the corners of the plates can advantageously be provided to promote scanning of the air chambers in the vicinity of said corners by the heat exchange fluid which circulates in said bedrooms.
Dans une variante, non représentée, les caches sont de forme arrondie ou sont ménagés par des plats. In a variant, not shown, the covers are of rounded shape or are formed by dishes.
En raison de la grande différence de température des gaz circulant dans l'échangeur, des mesures particulières doivent être prises aussi bien à la mise en service qu'à l'arrêt de celui-ci et, à cet effet, l'invention prévoit que chaque collecteur d'air 20, 21 soit garni sur sa face interne d'un calorifugeage suspendu, 40, s'opposant au refroidissement des tôles 41 des collecteurs, et des cheminées 42 d'entrée et de sortie d'air qui leur sont associées. Due to the large temperature difference of the gases circulating in the exchanger, special measures must be taken both when putting it into service and when it is stopped, and to this end, the invention provides that each air collector 20, 21 is lined on its internal face with a suspended insulation, 40, opposing the cooling of the sheets 41 of the collectors, and the air inlet and outlet chimneys 42 associated therewith .
Autour d'une partie desdites cheminées et des collecteurs 20, 21, est en outre disposée une hotte 43 limitant entre elle et la cheminée 42 ainsi que les tôles 41 un conduit 44, figure 5, propre à être alimenté à l'aide de moyens, non représentés, en air chaud ou froid, à la mise en marche et à l'arrêt de l'échangeur, respectivement, pour faciliter les variations rapide de regime de celui-ci. Around a part of said chimneys and collectors 20, 21, is also arranged a hood 43 limiting between it and the chimney 42 as well as the sheets 41 a conduit 44, FIG. 5, suitable for being supplied by means , not shown, in hot or cold air, on switching on and off of the exchanger, respectively, to facilitate rapid variations in speed thereof.
A la maitrise des échanges thermiques dans l'échangeur contribue également le fait que. les collecteurs de fumées 22 et 23 sont garnis sur leur face interne d'un calorifugeage 45 limitant l'échauffement des tôles du collecteur par les fumées qui y circulent. To the control of the heat exchanges in the exchanger also contributes the fact that. the smoke collectors 22 and 23 are fitted on their internal face with an insulation 45 limiting the heating of the sheets of the collector by the fumes which circulate there.
Pour le réglage fin, à la mise en route de l'échangeur, un volet 46, figure 6, propre à être actionné de l'extérieur de l'échangeur par une tringlerie montrée schématiquement en 47 permet, en obturant plus ou moins l'entrée des chambres latérales 131, 13nit d'ajuster le débit d'air traversant lesdites chambres. For fine adjustment, when the exchanger is started up, a flap 46, FIG. 6, suitable for being actuated from the outside of the exchanger by a linkage shown diagrammatically at 47 allows, by more or less sealing the inlet of the lateral chambers 131, 13nit to adjust the air flow through said chambers.
Dans une réalisation d'un échangeur selon l'invention d'une longueur de 3.000 mm, une largeur de 120 mm et une hauteur de 310 mm de bons résultats ont été obtenus en faisant circuler à contre-courant des fumées introduites à l.0000C et de l'air introduit à 10il. Pour un débit d'air comprimé de 350 Nm3/heure à une pression due 400.000 Pascal, les fumées sont refroidies à 200'C et l'air porté à sa sortie à une température de 8700C. In an embodiment of an exchanger according to the invention with a length of 3,000 mm, a width of 120 mm and a height of 310 mm, good results have been obtained by circulating fumes introduced at 1.0000C against the current. and air introduced at 10il. For a compressed air flow of 350 Nm3 / hour at a pressure of 400,000 Pascal, the fumes are cooled to 200 ° C and the air brought to its outlet at a temperature of 8700C.
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