FR2938049A1 - Rechauffeur de fluide combustible. - Google Patents

Abstract

Le réchauffeur de fluide combustible comprend des tubulures d'entrée et de sortie (6A et 6B) raccordables par des éléments de raccordement (6C, 6D) à un réseau de transport de fluide, une unité (5) de préparation de fluide combustible également raccordable au réseau et disposée au voisinage immédiat de celui-ci et un caisson (1) isolé thermiquement et disposé dans une zone (Z2) non dangereuse à une distance minimale prédéterminée (L1) du réseau. Le caisson (1) comprend un corps de chauffe (4) avec une enceinte incluant un serpentin relié sans aucune possibilité de fuite aux tubulures (6A, 6B), un orifice (11) d'évacuation des fumées produites dans le caisson (1) et au moins un brûleur radiant (2, 2') à émission infrarouge alimenté d'une part en fluide combustible à partir de l'unité (5) de préparation de fluide combustible et d'autre part en air, air enrichi en oxygène ou oxygène comburant. Le brûleur radiant (2, 2') est du type à combustion interstitielle à flamme courte avec une surface active alvéolaire, poreuse ou microporeuse, réfractaire, métallique ou minérale disposée en regard du corps de chauffe (4) et sans contact avec l'enceinte de celui-ci.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un réchauffeur ou surchauffeur de fluide combustible circulant dans un réseau de transport de fluide, tel que par exemple un réseau de transport de gaz naturel. Le gaz naturel est stocké sous une pression de 100 à 250 bar puis transporté et distribué essentiellement sous forme gazeuse par le moyen de gazoducs ou pipelines sous des pressions qui vont de 20 à 100 bar pour ce qui concerne le transport proprement dit et de 1 à 25 bar pour la distribution. Dans les pays tempérés ces gazoducs se trouvent la plupart du temps sous le niveau du sol, parfois ils sont immergés dans l'eau. Après quelque temps de contact le gaz se met en équilibre de température avec le milieu environnant soit une température de +5 °C à +10°C avec une moyenne de +7°C environ pour les ouvrages enterrés. On note que pour passer des conditions de stockage aux conditions de transport et des conditions de transport aux conditions de distribution on effectue des opérations de détente de pression et que la température du gaz chute alors instantanément de Y/2°C environ pour chaque bar de détente, ce qui pose des problèmes sur les appareils situés en aval et sur le milieu environnant lui-même. En effet, pour se réchauffer, le gaz froid prélève la chaleur dans ce milieu, notamment en transformant en glace hydrique l'eau qui était sous forme liquide ou sous forme de vapeur, d'où une déformation du sol, par exemple, ou enrobage des canalisations accessoires et organes de robinetterie par une couche de glace dont l'épaisseur et la longueur croissent avec le temps. La solution consiste alors à augmenter jusqu'à 0°C au moins la température du gaz détendu en le surchauffant avant détente ou en le réchauffant après détente. En dehors des détentes, d'autres inconvénients peuvent apparaître lorsque la température du gaz est trop basse, comme la formation d'hydrates de carbone à l'intérieur des conduites avec des risques d'obstruction.

D'autres cas comme l'alimentation de machines thermiques (turbines), ou de réacteurs de procédé, exigent une température contrôlée pour le gaz naturel avec généralement élévation de son enthalpie. Il existe donc de nombreux cas où il est nécessaire de procéder au réchauffage ou au surchauffage de gaz naturel ou d'un autre fluide combustible circulant dans des canalisations.

Art antérieur Pour remédier aux inconvénients précités et mieux maîtriser la température d'un fluide combustible, il a déjà été proposé d'utiliser divers appareils tels que : des réchauffeurs, vaporiseurs, réchauffeurs-vaporiseurs par échange direct à énergie électrique ^ à effet Joule avec résistances sur barillet insérées dans un doigt de gant, à effet Joule avec résistances blindées sous gaine métallique et remplissage conducteur de chaleur mais électriquement isolant, tubes métalliques parcourus par courants de Foucault. Les avantages sont : la simplicité, le rendement élevé, la régulation fine de la puissance délivrée par alimentation séquentielle (trains de chauffe à faible base de temps de 2s à 20s par exemple). Les inconvénients sont : ^ les difficultés de transport, de mise à disposition, de stockage de l'énergie électrique pour les puissances élevées (supérieures à 36kW par exemple ) et même faibles ( 3kW en zones isolées ), ^ les coûts d'exploitation élevés. des réchauffeurs, vaporiseurs, réchauffeurs-vaporiseurs à échangeur associé à une chaudière séparée avec chauffage indirect, l' énergie étant alors récupérée puis véhiculée par un fluide intermédiaire tel que : ^ l'eau • la vapeur d'eau • un fluide thermique Les avantages sont : • la mise à disposition et le stockage faciles de l'énergie généralement fossile - 3 Les inconvénients sont : • l'inertie élevée obligeant à travailler en basse température, • le rendement dépendant de la température du fluide traité et variable si la demande thermique n'est pas constante. des réchauffeurs, vaporiseurs, réchauffeurs-vaporiseurs monoblocs à chauffage indirect par brûleur et énergie récupérée puis véhiculée par un fluide intermédiaire tel que : ^ l'eau • la vapeur d'eau • un fluide thermique ^ l'air • des gaz de combustion Les avantages sont : • la mise à disposition et le stockage faciles de l'énergie généralement fossile. Les inconvénients sont : ^ l'inertie élevée obligeant à travailler en basse température, • le rendement dépendant de la température du fluide traité et variable si la demande thermique n'est pas constante, • dans le cas ou le liquide intermédiaire est de l'eau, la nécessité de mise hors gel et de contrôle de la présence de l'eau (appoints éventuels), ^ dans le cas d'autres liquides intermédiaires, la nécessité d'approvisionner des produits spéciaux et d'en assurer l'appoint, le confinement et la rétention en cas de déversement (protection de l'environnement), • dans le cas où le fluide intermédiaire est un gaz, deux échanges en cascade obèrent le rendement par la nécessité de maintenir des écarts de températures entre trois fluides.

On a par ailleurs déjà également proposé d'utiliser des réchauffeurs radiants infrarouges de type catalytique dans des postes de détente de gaz. Cependant, ce type de brûleur nécessite un amorçage par préchauffage du catalyseur à l'aide d'une production d'énergie auxiliaire, pendant une période de 15 minutes environ. De plus, le catalyseur doit être maintenu chaud et, s'il se refroidit au-dessous de la température de sécurité, le brûleur s'arrête et il faut recommencer le préchauffage. Ainsi, outre l'utilisation d'un système de chauffage auxiliaire, ce type de brûleur est mal adapté à une automatisation de l'allumage, car il est compliqué et coûteux de mettre en oeuvre les phases de démarrage et d'arrêt, ou de régulation, ce qui pose des problèmes, notamment dans le cas d'une demande thermique cyclique variable dans le temps.

Définition et objet de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et notamment à permettre de maîtriser la température d'un fluide combustible circulant dans un réseau de transport, à l'aide d'un appareil de conception simple et peu coûteuse, qui se prête bien à une automatisation et à une variation de puissance, notamment dans le cas d'une demande thermique cyclique variable dans le temps. L'invention vise également à optimiser le rendement d'un appareil de réchauffage ou surchauffage et à accroître la sécurité de fonctionnement. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un réchauffeur de fluide combustible circulant dans un réseau de transport de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une première tubulure d'entrée et une deuxième tubulure de sortie raccordables par des premier et deuxième éléments de raccordement audit réseau de transport de fluide, une unité de préparation de fluide combustible également raccordable audit réseau de transport de fluide et disposée au voisinage immédiat de celui-ci, un premier caisson isolé thermiquement et disposé dans une zone non dangereuse à une distance minimale prédéterminée du réseau de transport de fluide, ledit premier caisson comprenant lui-même un corps de chauffe avec une enceinte incluant un premier serpentin relié sans aucune possibilité de fuite auxdites première et deuxième tubulures, un orifice d'évacuation des fumées ou gaz chauds produits dans le premier caisson et au moins un brûleur radiant à émission infrarouge alimenté d'une part en fluide combustible à partir de l'unité de préparation de fluide combustible et d'autre part en air comburant ou air enrichi en oxygène ou oxygène, le brûleur radiant étant du type à combustion interstitielle à flamme courte avec une surface active alvéolaire, poreuse ou 2938049 -5 microporeuse, réfractaire, métallique ou minérale disposée en regard du corps de chauffe et sans contact avec l'enceinte de celui-ci, à une distance comprise entre 40 et 800 mm, et un deuxième caisson isolé thermiquement interposé entre l'orifice d'évacuation des fumées ou gaz 5 chauds produits dans le premier caisson et une cheminée de sortie des fumées ou gaz chauds vers l'extérieur, le deuxième caisson comprenant un corps de chauffe avec une enceinte incluant un deuxième serpentin monté en série sans aucune possibilité de fuite avec le premier serpentin du premier caisson , le corps de chauffe du deuxième caisson étant 10 soumis à un échange par convection avec les fumées ou gaz chauds en provenance de l'orifice d'évacuation du premier caisson. De préférence, la distance entre la surface active du brûleur radiant et l'enceinte du corps de chauffe est comprise entre 100 et 300 mm. 15 Le réchauffeur peut comprendre des premier et deuxième brûleurs radiants. Ces premier et deuxième brûleurs radiants peuvent être situés de part et d'autre du corps de chauffe ou, selon une variante de réalisation, peuvent être montés dos à dos, le corps de chauffe comprenant alors des 20 premier et deuxième sous-ensembles montés en série et situés de part et d'autre des premier et deuxième brûleurs radiants. Le réchauffeur peut comprendre un système de brassage des fluides gazeux inclus dans le deuxième caisson. Selon un mode particulier de réalisation, la zone de rayonnement 25 infrarouge du brûleur radiant du premier caisson s'étend partiellement à travers l'orifice d'évacuation des fumées ou gaz chauds produits dans le premier caisson. Selon un autre mode de réalisation particulier, le réchauffeur comprend au moins un circuit d'alimentation du brûleur radiant en air, air 30 enrichi en oxygène ou oxygène comburant ou un circuit d'alimentation du brûleur radiant en combustible à partir de l'unité de préparation de gaz carburant, qui est disposé de manière à produire un échange de chaleur avec les fumées ou gaz chauds issus de l'orifice d'évacuation du premier caisson ou d'une cheminée de sortie vers l'extérieur. 35 Avantageusement, l'unité de préparation de gaz carburant comprend au moins un ensemble de détente et une vanne de régulation automatisée pour la préparation et le dosage du combustible d'alimentation du brûleur radiant. Selon un mode de réalisation préférentiel, le brûleur radiant comprend plusieurs éléments de surface active ou une surface active monobloc divisée en zones pouvant être allumées séparément. Dans ce cas, avantageusement, un élément de surface active ou une zone d'une surface active monobloc du brûleur radiant constitue une veilleuse. Selon une caractéristique avantageuse, le réchauffeur comprend un circuit de régulation avec vanne de régulation automatisée couplée à un module de commande pour ajuster la pression du combustible d'alimentation du brûleur radiant fourni par l'unité de préparation de gaz carburant et ajuster ainsi la puissance du brûleur radiant. Dans ce cas, de préférence le réchauffeur comprend un brûleur radiant atmosphérique ou à air induit ou à air soufflé à faible inertie avec un temps de chauffage et refroidissement compris entre 2 et 10 secondes et un circuit de régulation avec vanne de régulation automatisée couplée à un module de commande adapté pour commander des cycles de marche très courts avec un fonctionnement tout ou rien ou séquentiel avec des trains de chauffe sur des cycles pré-choisis compris entre 10 secondes et 10 minutes, et de préférence entre 20 secondes et 3 minutes. Le réchauffeur selon l'invention peut notamment être appliqué à une installation de stockage ou à un réseau de transport ou de distribution de gaz naturel ou à une installation de stockage ou à un réseau de transport ou de distribution de gaz de pétrole liquéfiés.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective montrant les unités principales constituant un réchauffeur selon l'invention, - les figures 2 à 6 montrent différentes configurations possibles pour les positions relatives d'un brûleur radiant et d'un corps de chauffe 35 dans un réchauffeur selon l'invention, - les figures 7 et 8 montrent deux exemples de caisson de réchauffage comprenant deux brûleurs radiants et un corps de chauffe double, - les figures 9 et 10 montrent deux exemples de brûleur radiant et de corps de chauffe de type cylindrique, - les figures 11 à 14 montrent divers exemples de réalisation avec un brûleur radiant monté dans la paroi d'un caisson de réchauffage, - la figure 15 montre un premier exemple de réchauffeur selon l'invention à zones séparées de réchauffage par rayonnement et par convection, - la figure 16 montre un premier exemple de réchauffeur selon l'invention avec des zones de réchauffage par rayonnement et par convection qui se chevauchent, - les figures 17a, 17b et 17c montrent des exemples de brûleurs radiants comprenant respectivement un élément unique, plusieurs éléments séparés et un élément monobloc divisé en plusieurs zones, - la figure 18 montre un deuxième exemple de réchauffeur selon l'invention avec des zones de réchauffage par rayonnement et par convection qui sont séparées, - la figure 19 montre un deuxième exemple de réchauffeur selon l'invention avec des zones de réchauffage par rayonnement et par convection qui se chevauchent, - la figure 20 montre un exemple de réchauffeur selon l'invention avec ses différents éléments de régulation et de sécurité, - la figure 21 montre en perspective un exemple de serpentin monotube pouvant être incorporé dans un corps de chauffe d'un réchauffeur selon l'invention, - la figure 22 montre en perspective un exemple de serpentin multitubes pouvant être incorporé dans un corps de chauffe d'un réchauffeur selon l'invention, - la figure 23 montre un exemple de réchauffeur avec préchauffage d'air-carburant, et - les figures 24 à 26 montrent des exemples de mise en oeuvre d'un système d'extraction de produits de combustion dans un réchauffeur selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation préférentiels La figure 1 montre de façon schématique les unités essentielles constituant un appareil de réchauffage selon l'invention appliqué au réchauffage d'un fluide combustible tel qu'un hydrocarbure.

Ainsi, l'invention peut s'appliquer au réchauffage et à la vaporisation des gaz de pétrole liquéfiés (butane, propane,...) qui en tant que carburants peuvent fournir l'énergie nécessaire au chauffage. L'invention s'applique aussi à la vaporisation du gaz naturel à partir de son état liquide (gaz naturel liquéfié ou GNL) en vue du transport et de la distribution de ce gaz naturel sous forme gazeuse. A titre d'exemple, on considérera plus particulièrement dans la suite de la description le cas du réchauffage ou surchauffage du gaz naturel au niveau d'un poste de détente-comptage exploité par une société de transport de gaz naturel par gazoduc, le réchauffage du gaz naturel pouvant s'effectuer avant la détente ou après la détente. Sur la figure 1, on a représenté une zone dangereuse Z1 à atmosphère explosible dans laquelle se situent les canalisations de transport de gaz et le poste de détente-comptage. Dans cette zone dangereuse Z1, des éléments de raccordement 6C, 6D, tels que des brides, permettent de prélever tout ou partie du gaz circulant dans le poste de détente, soit en amont de ce poste, au niveau du gazoduc de transport à des pressions pouvant aller de 20 à 100 bar, soit en aval de ce poste de détente, au niveau de conduites de distribution à des pressions pouvant aller de-1 à 25 bar.

Des tubulures 6A, 6B reliées aux moyens de raccordement 6C, 6D permettent de transférer le gaz dans des caissons 1, 10 de l'appareil de réchauffage situés dans une zone Z2 non dangereuse à une distance minimale prédéterminée L1 du réseau de transport de gaz. A côté des brides de raccordement 6C, 6D, dans la zone Z1 à atmosphère explosible, un poste 5 de préparation de gaz carburant comprend au moins un ensemble de détente, avec éventuellement un compteur pour la préparation et le dosage du combustible d'alimentation de l'appareil de réchauffage situé dans la zone Z2 non dangereuse. Le poste 5 peut comprendre un ensemble de détente haute pression comportant une ou deux vannes ou électrovannes de sécurité, un détendeur de pression 100 bar/4 bar et deux pressostats tarés à 4 bar, 2938049 -9 pour prélever du gaz combustible en amont du poste de détente, au niveau des conduites de transport de gaz. Le poste 5 peut encore comprendre un ensemble de détente basse pression comportant un détendeur de pression 4 bar/300 mbar et 5 une vanne de sécurité de pression incorporée, pour reprendre le gaz ci-dessus ou prélever du gaz combustible en aval du poste de détente, au niveau des conduites de distribution de gaz. L'appareil de réchauffage ou surchauffage selon l'invention comprend au moins un premier caisson 1 isolé thermiquement et un 10 deuxième caisson 10 isolé thermiquement, les caissons 1 et 10 étant tous deux situés dan la zone Z2 non dangereuse à une distance minimale L1 du réseau de transport de gaz. Le caisson 1 renferme un corps de chauffe 4 face auquel se trouvent un ou deux brûleurs radiants 2,2' disposés verticalement et 15 alimentés d'une part en air comburant et d'autre part en gaz combustible à partir du poste de préparation 5, par exemple sous une pression de 300 mbar. Le corps de chauffe 4 comprend une enceinte 40 et inclut un serpentin 60 relié sans discontinuité aux tubulures d'entrée 6A et de 20 sortie 6B. Une armoire électrique 3 est fixée sur le caisson 1 dans la zone non dangereuse Z2 et comprend les circuits électriques de gestion des différentes alarmes et de pilotage des brûleurs radiants 2,2'. Le caisson 10 qui surmonte le caisson 1 reçoit les fumées ou gaz 25 chauds produits dans le premier caisson 1 et comprend un corps de chauffe 41 avec une enceinte 42 incluant un deuxième serpentin 61 monté en série sans discontinuité avec le premier serpentin 60 du caisson 1. Le corps de chauffe 41 du caisson 10 est soumis à un échange de convection avec les fumées ou gaz chauds issus du caisson 1 (voir les 30 figures 15, 16, 18, 19 et 20). Dans certains cas, les caissons 1 et 10 peuvent être confondus, de même que les corps de chauffe 4 et 41 et les serpentins 60 et 61 (figures 13, 14 et 23) de telle sorte que la zone à énergie radiante d'exposition de l'enceinte renfermant le fluide à chauffer est confondue 35 avec la zone de réchauffage par convection. 2938049 - 10 - Toutefois, il est en général préférable que la zone radiante et la zone convective soient distinctes et séparées (figures 15, 18), ou ne se chevauchent que partiellement (figures 16, 19). Le système suivant l'invention utilise pour la production de chaleur 5 nécessaire au chauffage du produit à traiter, une source d'énergie non électrique. L'énergie calorifique est produite par la combustion d'un combustible par exemple un hydrocarbure, au travers d'un brûleur 2,2'. Dans le cas de réchauffage, de sur-chauffage, de vaporisation ou 10 de réchauffage et vaporisation d'un hydrocarbure, une partie de fluide traité lui-même est prélevée à destination de carburant, dans le poste de préparation 5. Le système comprend une enceinte le plus souvent pressurisée renfermant le fluide auquel on veut apporter de la chaleur (dont on veut 15 élever le niveau d'enthalpie ). Le fluide peut être en mouvement, ce qui est le cas le plus fréquent, ou alors au repos. Surtout dans le cas de fluides en mouvement, l'enceinte est constituée de tubes et éléments tubulaires (coudes, raccords, tés, barillets 20 etc.). Sur la figure 21, on a représenté à titre d'exemple un serpentin monotube 60 qui est incorporé dans le corps de chauffe 4 et est relié en continuité avec les tubulures d'entrée 6A et de sortie 6B. Ce serpentin 60 peut être placé intégralement dans le corps de chauffe 4 situé dans le 25 caisson 1 définissant une zone radiante, ou peut être divisé entre les corps de chauffe 4 et 41 situés dans les caissons 1 et 10 définissant les zones radiante et convective. Sur la figure 22, on a représenté une variante de réalisation selon laquelle l'enceinte contenant le fluide à réchauffer comprend un serpentin 30 multitubes 60A avec à titre d'exemple quatre nappes en parallèle ou dérivation reprises sur les tubulures d'entrée 6A et de sortie 6B, elles-mêmes raccordées au réseau principal par les brides de raccordement 6C, 6D. Dans le caisson 1 définissant une zone d'énergie radiante, de 35 façon prépondérante, l'énergie est transmise à partir du brûleur par rayonnement essentiellement dans le domaine de l'infrarouge moyen dans 2938049 - 11 - la bande 1 à 10 m avec un maximum d'émittance centré entre 2 et 2,5 m, ce qui est favorable à l'absorption par le récepteur (enceinte renfermant le fluide à réchauffer). L'énergie peut aussi être transmise par rayonnement dans le 5 domaine des ultraviolets, des micro-ondes ou des hautes fréquences. On cherche ici à maximiser la part d'énergie transmise par rayonnement car son transfert est beaucoup plus aisé que celui de l'énergie transmise par convection. Les brûleurs ou équipements adaptés à cette application doivent 10 donc maximiser la proportion d'énergie radiante pour des brûleurs à flamme qui doit être de préférence d'au moins 40%. On ne veut pas soumettre l'enceinte à réchauffer directement à l'action d'une flamme pour des raisons de sécurité et de résistance du matériau constitutif ; l'énergie est alors transmise par rayonnement et 15 convection. Le rayonnement peut être engendré par chauffage à une température convenable comprise entre 600 et 900°C d'éléments en terre réfractaire ou métalliques (acier ou fonte d'acier etc.), léchés par les flammes produites par le moyen de rampes de combustion à flammes 20 stabilisées. De préférence, on adopte des brûleurs à gaz du type à combustion interstitielle à flamme courte avec une surface alvéolaire, poreuse, ou micro-poreuse, réfractaire, métallique ou minérale, qui élevée à une température comprise entre 750°C et 1250°C participe elle même à 25 l'émission de radiations infra-rouges. Dans le système suivant l' invention on utilise des brûleurs à gaz du type à combustion interstitielle à flamme courte avec une surface alvéolaire poreuse ou micro-poreuse réfractaire métallique ou minérale dont on peut faire varier aisément la puissance dans le rapport de 1 à 5 30 avec des puissances surfaciques de 100 à 500kW/m2 de surface de brûleur, ceci par variation de la pression et donc du débit du gaz carburant. Des puissances surfaciques plus élevées de 10 000kW/m2 de surface de brûleur peuvent être délivrées par ce même brûleur ce qui 35 donne alors une variation de puissance possible de 1 à 100 facilitant grandement la régulation de puissance tout en conservant un bas niveau 2938049 - 12 - sonore et en produisant des fumées à faible taux en monoxyde de carbone et en oxydes d' azote pourvu que l'on adopte un taux d' aération de 105% à 150 ou 200% par rapport aux valeurs stoechiométriques. Dans tous les cas l'énergie provenant de la combustion n'est 5 transformée que partiellement en énergie radiante, tandis que le reste est emporté par les fumées de combustion ou par les produits d'oxydation qui se trouvent à une température voisine de la température de combustion ou d'oxydation. Hormis les pertes par les parois du système, les pertes par 10 évacuation des produits de combustion ou d'oxydation, la récupération de l'énergie totale émise par le brûleur 2 se fait donc sous deux formes : d'une part par la capture du rayonnement et d'autre part par la récupération en mode convection de la chaleur renfermée dans les fumées ou gaz chauds.

15 Comme cela a été indiqué précédemment, dans le système suivant l'invention il y a deux zones d'exposition de l'enceinte renfermant le fluide à chauffer : une zone dite à énergie radiante ou zone radiante et une zone dite convective.

20 Ces deux zones peuvent être confondues (voir figures 13, 14 et 23) se chevaucher (figures 16 et 19) ou être distinctes et séparées (voir figures 15 et 18), notamment si l'on utilise un système de brassage 7 pour augmenter la convection lequel serait susceptible de nuire à la stabilité de la flamme, de refroidir le matériau réfractaire et/ou de refroidir la partie de 25 l'enceinte déjà soumise au rayonnement. Dans la zone radiante on présente face à la surface du brûleur 2,2' et à une faible distance d2, d2' de celui-ci soit entre 30mm et 800mm, mais de préférence entre 100mm et 300mm la surface de l'enceinte 4 renfermant le fluide à réchauffer. Ces faibles distances ont pour objet 30 d'éviter la dispersion du rayonnement, d'élever la température de la paroi chauffée et de réduire l'encombrement de l'équipement.. Si pour des raisons de pression et/ou d'écoulement, le fluide est renfermé dans des tubes ou éléments tubulaires, les tubes sont disposés sous forme de nappes en une ou plusieurs couches décalées d'une 35 distance constante ou non par rapport à la surface du brûleur de manière à obtenir le meilleur éclairement possible de leur surface extérieure. 2938049 - 13 - Une disposition efficace conduisant à un éclairement proche de 100% consiste à utiliser deux nappes planes ou concaves ou convexes de tubes avec un pas compris entre deux et six fois leur diamètre, les tubes d'une nappe étant disposés en quinconce par rapport à ceux de l'autre 5 nappe, et des surfaces réfléchissantes renvoyant le rayonnement émergent vers les tubes par les côtés non éclairés par le brûleur. Dans la zone convective on immerge la surface extérieure de l'enceinte (corps de chauffe) 41 renfermant le fluide à réchauffer dans les produits de combustion (fumées) ou d'oxydation.

10 Une disposition efficace pour augmenter la convection consiste à utiliser un système (ventilateur) de brassage 7 et/ou à utiliser des tubes à surface extérieure augmentée (à ondulation, rainurée, striée ou à ailettes) regroupés en forme de faisceaux. Si le brassage est important, supérieur à 0,2 m/s (convection 15 naturelle) et pouvant aller jusqu'à 4m/s et même 10 m/s, il y a risque de refroidir la surface du brûleur 7, de perturber la flamme et/ou de refroidir la surface de l'enceinte 4 soumise au rayonnement. On préfère constituer alors deux zones distinctes séparées : une pour le rayonnement et une pour la convection (figures 15, 16, 18, 19 et 20).

20 Côté récepteur (enceinte renfermant le fluide à réchauffer) on peut obtenir les valeurs suivantes pour du gaz naturel traité sous une pression de 50 à 80 bar avec une température d'entrée réchauffeur de 0 à 15°C et une température de sortie de 20 à 50°C dans la zone radiante 10 à 100kW/m2 mais de préférence de 25 20 à 60kW/m2 dans la zone convective 1 à 50kW/m2 mais de préférence de 3 à 20kW/m2. Comme on l'a indiqué en référence à la figure 1, l'appareil suivant l'invention comporte une enceinte ou corps de chauffe 4 définissant une 30 zone radiante, pouvant être associé à un deuxième corps de chauffe 41 définissant une zone convective et placé en série avec le corps de chauffe 4. Le fluide à réchauffer est introduit dans les corps de chauffe 4, 41 par la tubulure d'entrée 6A et est soutiré de ces corps de chauffe 4, 41 par la tubulure de sortie 6B.

35 Dans le cas où l'enceinte comporte deux zones, l'orifice de remplissage est rattaché à la zone radiante si l'on veut obtenir dans cette 2938049 - 14 - zone l'écart de température le plus grand avec le fluide à réchauffer ou à la zone convective si l'on veut que les gaz évacués vers la cheminée 12 soient les plus froids possible. Sinon, d'une manière plus générale, le raccordement à l'une ou l'autre zone est indifférent lorsque la température 5 d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer est très largement inférieure aux températures des fumées et à la température de la paroi éclairée par les rayonnements. La chaleur est transmise à la paroi de l'enceinte 4 par rayonnement et par convection. Cette paroi transmet à son tour la chaleur au fluide à 10 réchauffer par conduction, rayonnement et convection sur la face interne de la paroi (voir figure 13). D' une manière générale et surtout en ce qui concerne les fluides à risque d'explosion, les enceintes 4, 40 sont absolument étanches et exemptes de fuite, même accidentelle, par respect d'une distance 15 convenable (par exemple 1m pour du gaz naturel sous 85 bar de pression) entre les parties chaudes des caissons 1 et 10 et/ou du brûleur 2 et les brides ou raccords vissés 6C, 6D nécessaires au raccordement de ces enceintes 4,40 et des tubulures 6A, 6B et/ou au branchement de divers accessoires ou robinets.

20 Les enceintes 4, 40 sont disposées à l'intérieur des caissons 1 et 10 de type calorstat (à parois isolantes du point de vue thermique). Les caissons 1 et 10 sont revêtus intérieurement au niveau de la partie du corps de chauffe 4,40 soumis au rayonnement, d'une paroi plane, ou non, destinée à réfléchir et renvoyer vers ces corps de chauffe 4, 40 le 25 rayonnement qu' il n'aurait pas capté par éclairement direct. Ce revêtement peut sans inconvénient être étendu à toute la surface interne des caissons 1, 10, et peut être composé de matériau réfractaire métallique ou minéral mais de préférence allégé pour ne pas constituer une masse chaude inerte trop importante. Pour éviter les entrées d'air qui 30 pourraient perturber le fonctionnement du réchauffeur, le caisson 1 est sensiblement étanche (hormis les cheminées d'évent 12) et mis en très légère surpression. Dans ce cas une phase de balayage à l'air frais peut précéder l'allumage du brûleur 2. Lorsqu'apparaît une difficulté à assurer cette étanchéité alors le 35 caisson est mis en très légère dépression par un système (ventilateur) extracteur 14 raccordé à la cheminée 12 (figure 24) ou couplé avec le 2938049 - 15 - ventilateur de brassage 7 (figure 25) ou incorporé à celui-ci ou confondu avec lui (figure 26) ; ce système (ventilateur) extracteur 14 peut servir pour l'opération de balayage à l'air du caisson 1. Le ventilateur extracteur 14 peut être associé à un ou plusieurs 5 registres d'entrée d'air dans le caisson 1 ou encore à un volet de réglage du débit d'air ou de fumées sur la sortie du caisson. Un brûleur 2 ou générateur thermique de type atmosphérique, à air induit ou à air soufflé 2 est alimenté en carburant à partir de poste 5 et délivre de l'énergie par rayonnement avec production associée de gaz 10 chauds dans lesquels on récupère la chaleur par échange essentiellement de convection avec utilisation éventuelle d'un système (ventilateur) de brassage 7 à débit (vitesse) variable ou non (voir figures 13 à 16 et 18 à 20). Les figures 2 à 8 montrent différentes positions relatives possibles 15 pour le brûleur radiant 2 et le corps de chauffe 4 à l'intérieur d'un caisson 1. Les figures 7 et 8 montrent la mise en oeuvre de deux brûleurs radiants 2,2' coopérant avec deux sous-ensembles 4A, 4B du corps de chauffe montés en série.

20 Sur la figure 7, les brûleurs radiants 2,2' sont situés de part et d'autre du corps de chauffe 4A, 4B, chaque brûleur radiant 2,2' faisant face à un sous-ensemble 4A, 4B du corps de chauffe. Sur la figure 8, les brûleurs 2,2' sont montés dos à dos et les sous-ensembles 4A, 4B du corps de chauffe sont situés chacun entre un 25 brûleur 2,2' et la paroi du caisson 1. Les figures 9 et 10 montrent un brûleur 2 et un corps de chauffe 4 cylindrique et concentriques, le brûleur 2 pouvant être interne (figure 10) ou externe (figure 9). Le brûleur peut être incorporé partiellement ou totalement à la 30 paroi du caisson pour éviter par exemple une température excessive à l'intérieur de celui-ci qui, en atteignant la valeur d'auto-inflammation, serait susceptible de provoquer des explosions à l'intérieur du corps de ce même brûleur (voir figures 11 et 12). On a tout de même intérêt, suivant les lois de la thermodynamique 35 et pour augmenter le rendement, à élever au maximum la température du mélange carburant, ce que l'on peut obtenir par immersion partielle ou 2938049 - 16 - totale du brûleur 2 dans le caisson ou par échange de chaleur entre les fumées (qui sont alors refroidies) sortant de la cheminée 12 du caisson 1 (voir figure 13) et l'air comburant ou le mélange combustible (échangeur 51).

5 Le brûleur 2 peut comporter un élément unique 21 avec allumage et contrôle de présence de flamme (voir figure 17a) ou plusieurs éléments séparés ou juxtaposés 21 à 23 avec allumage et contrôle individuel ou commun, l'un des éléments servant éventuellement de veilleuse (voir figure 17b) ou comporter plusieurs zones dans un élément monobloc 24 10 avec allumage et contrôle de présence de flamme individuel ou commun, l'une des zones servant de veilleuse (voir figure 17c). De plus, dans le but d'ajuster la puissance du brûleur 2, on peut faire varier la pression d'alimentation globalement ou élément par élément. Le brûleur 2 et le corps de chauffe 4 peuvent avoir différentes 15 formes d'allure générale plane ou prismatique, convexe ou concave, cylindrique, conique, rectiligne ou parabolique par exemple. Le corps de chauffe 4 peut être peint, vitrifié, émaillé ou muni d'un revêtement, notamment dans la zone soumise aux rayonnements du brûleur 2, en adoptant des couleurs noires ou sombres, mates, de nature 20 à fournir et accroître l'absorption de ces rayonnements. Avantageusement, les fumées ou gaz chauds produits par le brûleur 2 dans le premier caisson 1 sont évacués par un orifice d'évacuation 11 vers l'intérieur du deuxième caisson 10 comprenant un deuxième corps de chauffe 41 comprenant un serpentin 61 monté en série 25 avec le serpentin 60. L'enceinte 10 définit une zone de convection avantageusement équipée d'un organe 7 de brassage et comprend une cheminée 12 d'évacuation des fumées ou gaz chauds vers l'extérieur. Les figures 16 et 19 montrent des exemples de réalisation dans 30 lesquels la zone radiante s'étend partiellement à l'intérieur du deuxième caisson 10 à travers l'ouverture 11 de communication entre le caisson 1 comprenant le premier serpentin 60 et le caisson 10 comprenant le deuxième serpentin 61. Dans le cas de la figure 16, le serpentin 60 et le corps de chauffe 35 4 s'étendent partiellement dans le caisson supérieur 10 à travers l'ouverture 11. Il y a ainsi chevauchement des zones radiante et 2938049 - 17 - convective, mais le serpentin 61 et le corps de chauffe 41 situés dans le caisson 10 sont soumis essentiellement à une action d'échange de chaleur par convection. Dans le cas de la figure 19, le corps de chauffe 4 et le serpentin 5 60 ne sont situés que dans le caisson inférieur 1, mais l'action de rayonnement du brûleur 2 s'étend dans le caisson supérieur 10 sur une partie du corps de chauffe 41 et du serpentin 61. Dans le cas des figures 15 et 18, qui montrent deux positions différentes du brûleur 2 par rapport à l'ouverture 11 de communication 10 entre les caissons 1 et 10, la zone radiante à l'intérieur du caisson 1 est complètement distincte de la zone convective à l'intérieur du caisson 10. La figure 20 montre un exemple de réalisation de l'invention dans lequel on a représenté le poste de préparation 5 et l'unité 3 de régulation et de traitement des sécurités.

15 Le poste de préparation 5 comprend les vannes, robinets, manuels et/ou automatiques, compresseurs, pompes, détendeurs de pression et autres accessoires destinés à la préparation et au dosage du carburant et/ou du mélange carburant à partir du fluide circulant dans le réseau principal. Le poste de préparation 5 comprend notamment une vanne 13 20 de régulation automatisée. D'une manière générale et surtout en ce qui concerne les fluides à risque d'explosion l'équipement 5 est jusqu'au dernier organe d'isolement sûr compris (pour les conduites menant au brûleur), situé à une distance convenable (par exemple lm pour du gaz naturel sous 85 bar de pression) 25 des parties chaudes du caisson et du brûleur. Un coffret 3 comprend les organes de régulation et de traitement des sécurités sur le mode pneumatique ou électrique ou une combinaison des deux. Ce coffret 3 est généralement, pour les fluides à risque d'explosion, situé en zone non dangereuse Z2 par exemple sur la paroi du 30 caisson 1. Sinon, et particulièrement pour les fluides à risque d'explosion, le coffret sera du type tout pneumatique ou alors à sécurité augmentée adaptée à la zone de risque. La régulation et les sécurités peuvent prendre notamment en compte des informations de température destinées au pilotage TC ou aux alarmes TS avec des sondes disposées au 35 contact ou non de l'enceinte 4 ainsi que les informations sur le bon 2938049 - 18 - conditionnement au niveau du poste de préparation du gaz carburant 5, par exemple présence et pression PS (voir figure 20). A titre d'exemple, un réchauffeur de gaz naturel a été réalisé pour relever de +7°C jusqu'à 27°C du gaz naturel circulant dans une 5 canalisation de diamètre nominal 80mm sous une pression de 65 bar relatif au débit de 1000 à 20000 Nm3/h dans des conditions de température et pression normales (TPN). Dans ces conditions, la puissance requise est de 230kW. Ce réchauffeur est installé à l'air libre non abrité et l'air ambiant est 10 à 0°C. Les fumées sortent de l'appareil à 150°C, le taux d'aération étant de 120%. Le rendement est de 93% sur PCI (pouvoir calorifique inférieur) ou encore 84,5% sur PCS (pouvoir calorifique supérieur). La puissance du brûleur est de 280kW.

15 L'appareil comporte deux zones de chauffe : une zone de rayonnement constituée par un caisson 1 de 0,3 m3 dont l'une des parois est occupée par le brûleur 2 d'une surface de 0,7m2 et d'une puissance spécifique de 400kW/m2. Ce caisson dont quatre faces sont tapissées de panneaux isolants en fibres minérales blanches 20 contient les tubes d'échange 60 qui sont éclairés par le rayonnement infra-rouge et comporte en partie supérieure une ouverture 11 permettant l'évacuation des fumées de combustion vers le caisson supérieur 10. une zone d'échange convectif constituée par le caisson supérieur 10 de 25 0,7 m3 dont toutes les parois comportent également des panneaux isolants en fibres minérales. Dans ce caisson, qui possède en partie basse un orifice de raccordement au caisson inférieur 1 et en partie haute une cheminée 12 d'évacuation de fumées vers l'atmosphère, se trouve le faisceau tubulaire 61 sur lequel est effectuée la récupération 30 de la chaleur des fumées sortant de la première zone. L'échange est amélioré par utilisation d'un ventilateur de brassage 7 de 1kW à vitesse variable. La surface extérieure développée totale d'échange des serpentins 60 et 61 est de 23m2.

35 Les nappes et faisceaux de tubes d'échange 60, 61 qui se trouvent dans les deux zones des caissons 1 et 10 sont montés en série et se 2938049 - 19 - terminent par deux brides de raccordement 6C, 6D de type DN 80 PN 100, déportées à 1m des parois du caisson, pour liaison à la canalisation principale. L'ensemble constitue une cellule prismatique verticale de 5 dimensions extérieures 1400mm x 1100mm (L2 x dl) pour la base et de 2200mm de hauteur (H) soit un encombrement volumique de 3,4 m3 hors tout. La cellule comporte l'équipement 5 de préparation du combustible pour le conditionnement du gaz carburant, ainsi que les organes de 10 coupure par sécurité; cet équipement 5 est situé dans la zone Z1 à risque d'explosion engendrée par les brides DN 80. Le coffret électrique 3 de commande, régulation, traitement des sécurités est fixé sur le caisson 1 hors de la zone dangereuse constituée autour des brides DN80.

15 Le réchauffeur selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. En particulier, le réchauffeur ou réchauffeur/vaporiseur à chauffage direct sans fluide intermédiaire présente une faible distance entre brûleur 2 et paroi à chauffer 4, ce qui conduit à des appareils très compacts en 20 minimisant les pertes thermiques par les parois, ainsi que les problèmes de confinement et d'environnement. Dans la zone radiante, en réglant la distance entre brûleur 2 et enceinte à chauffer 4, on peut ajuster la température de surface de l'enceinte 4. Par exemple pour une surface métallique non refroidie plane 25 en acier inoxydable placée perpendiculairement au rayonnement principal on obtient en état stabilisé : 280°C à 200mm de la surface du brûleur 210°C à 300mm de la surface du brûleur 170°C à 400mm de la surface du brûleur 30 135°C à 500mm de la surface du brûleur 85°C à 700mm de la surface du brûleur 65°C à 1000mm de la surface du brûleur Dans la zone convective, en faisant varier le débit de brassage par l'organe de brassage 7, on peut ajuster la température de travail entre 60 35 et 250°C de manière que les gaz d'échappement soient à basse 2938049 - 20 - température, ce qui améliore en proportion le rendement de l'ensemble brûleur/réchauffeur/vaporiseur. L'appareil selon l'invention présente la possibilité de faire varier la puissance de l'ensemble brûleur de 1 à 5 et même de 1 à 100 pour une 5 utilisation en sous-régime et/ou en sur-régime. L'invention offre encore la possibilité d'avoir des brûleurs à un ou plusieurs étages avec allumage par étincelle ou par veilleuse permanente (mais avec allumeur de veilleuse dans ce cas) de très faible inertie (2 à 10 secondes pour la mise en régime ou la mise à l'arrêt ) avec des cycles de 10 marche très courts ce qui rend possible un fonctionnement tout ou rien (marche par thermostat) et/ou séquentielle (trains de chauffe - à durées éventuellement modulées par régulateur - sur des cycles pré-choisis comparables, par leur principe, à ceux des réchauffeurs électriques) avec période (base de temps ou cycle) comprise entre 10s et 10mn mais de 15 préférence entre 20s et 3mn (ce mode de régulation assurant une meilleure maîtrise de la température dans les phases transitoires et évitant les surchauffes locales des parois de l'enceinte à réchauffer 4). D'une manière générale, il existe une continuité de l'étanchéité entre les tubulures d'entrée 6A et de sortie 6B et les enceintes d'échange 20 de chaleur montées en série (serpentins 60 ou 60A et 61), afin d'éviter tout risque de fuite. Les points à risque de fuite accidentelle tels que brides, raccords sont reportés à distance des parties chaudes des caissons 1 et 10, au niveau des éléments de raccordement 6C, 6D.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Réchauffeur de fluide combustible circulant dans un réseau de transport de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une première tubulure (6A) d'entrée et une deuxième tubulure (6B) de sortie raccordables par des premier et deuxième éléments de raccordement (6C, 6D) audit réseau de transport de fluide, une unité (5) de préparation de fluide combustible également raccordable audit réseau de transport de fluide et disposée au voisinage immédiat de celui-ci, un premier caisson (1) isolé thermiquement et disposé dans une zone (Z2) non dangereuse à une distance minimale prédéterminée (L1) du réseau de transport de fluide, ledit premier caisson (1) comprenant lui-même un corps de chauffe (4) avec une enceinte (40) incluant un premier serpentin (60) relié sans aucune possibilité de fuite auxdites première et deuxième tubulures (6A, 6B), un orifice (11) d'évacuation des fumées ou gaz chauds produits dans le premier caisson (1) et au moins un brûleur radiant (2, 2') à émission infrarouge alimenté d'une part en fluide combustible à partir de l'unité (5) de préparation de fluide combustible et d'autre part en air, air enrichi en oxygène ou oxygène comburant, le brûleur radiant (2, 2') étant du type à combustion interstitielle à flamme courte avec une surface active alvéolaire, poreuse ou microporeuse, réfractaire, métallique ou minérale disposée en regard du corps de chauffe (4) et sans contact avec l'enceinte (40) de celui-ci, à une distance (d2, d2') comprise entre 40 et 800 mm, et un deuxième caisson (10) isolé thermiquement interposé entre l'orifice (11) d'évacuation des fumées ou gaz chauds produits dans le premier caisson (1) et une cheminée (12) de sortie des fumées ou gaz chauds vers l'extérieur, le deuxième caisson (10) comprenant un corps de chauffe (41) avec une enceinte (42) incluant un deuxième serpentin (61) monté en série sans aucune possibilité de fuite avec le premier serpentin (60) du premier caisson (1), le corps de chauffe (41) du deuxième caisson (10) étant soumis à un échange par convection avec les fumées ou gaz chauds en provenance de l'orifice (11) d'évacuation du premier caisson (11). 2938049 - 22 -
2. 2. Réchauffeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (d2, d2') entre la surface active du brûleur radiant (2) et l'enceinte (40) du corps de chauffe est comprise entre 100 et 300 mm. 5
3. 3. Réchauffeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième brûleurs radiants (2, 2') situés de part et d'autre du corps de chauffe (4).
4. 4. Réchauffeur selon la revendications 1 ou la revendication 2, 10 caractérisé en ce que des premier et deuxième brûleurs radiants (2, 2') sont montés dos à dos et en ce que le corps de chauffe comprend des premier et deuxième sous-ensembles (4A, 4B) montés en série et situés de part et d'autre des premier et deuxième brûleurs radiants (2, 2'). 15
5. 5. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un système de brassage (7) des fluides gazeux inclus dans le deuxième caisson (10).
6. 6. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 20 caractérisé en ce que la zone de rayonnement infrarouge du brûleur radiant (2) du premier caisson (1) s'étend partiellement à travers l'orifice (11) d'évacuation des fumées ou gaz chauds produits dans le premier caisson (1). 25
7. 7. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit (51) d'alimentation du brûleur radiant (2) en air, air enrichi en oxygène ou oxygène comburant ou un circuit d'alimentation du brûleur radiant (2) en combustible à partir de l'unité (5) de préparation de gaz carburant, qui est disposé de manière 30 à produire un échange de chaleur avec les fumées ou gaz chauds issus de l'orifice (11) d'évacuation du premier caisson (1) ou d'une cheminée de sortie (12) vers l'extérieur.
8. 8. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité de préparation (5) de gaz carburant comprend au moins un ensemble de détente et une vanne (13) de 2938049 - 23 - régulation automatisée pour la préparation et le dosage du combustible d'alimentation du brûleur radiant (2).
9. 9. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 5 caractérisé en ce que le brûleur radiant (2) comprend plusieurs éléments (21, 22, 23) de surface active ou une surface active monobloc (24) divisée en zones pouvant être allumées séparément.
10. 10. Réchauffeur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un 10 élément (2) de surface active ou une zone d'une surface active monobloc (24) du brûleur radiant constitue une veilleuse.
11. 11. Réchauffeur selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de régulation : avec vanne de 15 régulation (13) automatisée couplée à un module de commande_(3) pour ajuster la pression du combustible d'alimentation du brûleur radiant (2) fourni par l'unité (5) de préparation de gaz carburant et ajuster ainsi la puissance du brûleur radiant (2). 20
12. 12. Réchauffeur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur radiant (2) atmosphérique ou à air induit ou à air soufflé à faible inertie avec un temps de chauffage et refroidissement compris entre 2 et 10 secondes et un circuit de régulation avec vanne de régulation (13) automatisée couplée à un module de commande (3) 25 adapté pour commander des cycles de marche très courts avec un fonctionnement tout ou rien ou séquentiel avec des trains de chauffe sur des cycles pré-choisis compris entre 10 secondes et 10 minutes, et de préférence entre 20 secondes et 3 minutes. 30
13. 13. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une installation de stockage ou à un réseau de transport ou de distribution de gaz naturel.
14. 14. Réchauffeur selon l'une quelconque des revendications 1 35 à12,caractérisé en ce qu'il est appliqué à une installation de stockage ou à un réseau de transport ou de distribution de gaz de pétrole liquéfiés.