B 12-0007FR 1 Générateur de vapeur à récupération de chaleur à tubes vaporiseurs La présente invention concerne les tubes vaporiseurs dans les générateurs de vapeur à récupération de chaleur. Les systèmes de production d'électricité à cycle combiné à turbine à gaz comportent un moteur à turbine à gaz accouplé mécaniquement avec un alternateur. La turbine à gaz émet des gaz d'échappement chauds qui sont amenés à passer dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC). Les gaz d'échappement passent par un conduit d'entrée du GVRC et par un carter qui contient un certain nombre de tubes vaporiseurs. De l'eau ou de la vapeur d'une chaudière circule dans les tubes vaporiseurs et est chauffée par le flux de gaz d'échappement, ce qui donne de la vapeur chauffée utilisable pour faire fonctionner une turbine à vapeur. Selon un premier aspect de l'invention, un générateur de vapeur à récupération de chaleur comporte un carter ayant une entrée et une sortie, un tube vaporiseur disposé dans le carter, le tube vaporiseur ayant une cavité interne et une surface extérieure, le tube vaporiseur ayant une section transversale avec un axe longitudinal et un axe transversal, la longueur de l'axe longitudinal étant plus grande que la longueur de l'axe transversal, et au moins une ailette disposée sur la surface extérieure du tube vaporiseur. Selon un autre aspect de l'invention, un système de production d'électricité comporte un moteur à turbine à gaz ayant un conduit d'échappement, et un générateur de vapeur à récupération de chaleur comprenant un carter ayant une entrée reliée au conduit d'échappement et une sortie,. un tube vaporiseur disposé dans le carter, le tube vaporiseur ayant une cavité interne et une surface extérieure, le tube vaporiseur ayant une forme en coupe transversale avec un axe longitudinal et un. axe transversal, la longueur de l'axe longitudinal étant plus grande que la longueur de l'axe transversal, et au moins. une ailette disposée sur la surface extérieure du tube vaporiseur. Selon encore un autre aspect de l'invention, un tube vaporiseur comprend un tube disposé dans un carter, le tube ayant une cavité interne et une surface extérieure, le tube: ayant une forme en coupe transversale avec un axe longitudinal et un axe transversal, la longueur de l'axe longitudinal étant plus grande que la longueur de l'axe transversal, et au moins une ailette étant disposée sur la surface extérieure du tube..
La forme en coupe du tube vaporiseur comprend en outre un premier segment transversal de forme radiale et un second segment transversal de forme radiale. La ou les ailettes ont une surface plane. La surface plane de la ou des ailettes est située parallèlement à une surface plane d'une seconde ailette. L'invention sera mieux comprise à. l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un. schéma d'un exemple de système à cycle combiné pour la production d'électricité - la figure 2 est une vue latérale d'une partie d'un exemple de réalisation d'un. dispositif de tube vaporiseur ; - la figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2 ; «. la figure 4 est une vue latérale d'une partie d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif de -tube vaporiseur ; - la figure 5 est une vue en coupe prise suivant la ligne 5-5 de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un agencement de dispositifs de tubes vaporiseurs dans une partie du GVRC de la figure 1 ; - la figure 7 est une courbe illustrant le changement de kilowatts produits par rapport à un changement de la pression d'échappement ; - la figure 8 est une courbe illustrant le changement de rendement du système par rapport à un changement de la pression d'échappement ; - la figure 9 est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'un agencement de dispositifs de tubes vaporiseurs dans une partie du GVRC de la figure 1 ; et - la figure 10 est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'un agencement de dispositifs de tubes vaporiseurs. La figure 1 est une illustration schématique d'un exemple d'un système 100 à cycle combiné pour la production d'électricité. Le système 100 comporte un moteur 102 à turbine à gaz accouplé mécaniquement avec un alternateur 104. Le moteur 102 à turbine à gaz comprend un volume d'admission 106 d'air, une partie compresseur 108, une partie de combustion 110, une partie turbine 112 et un volume (conduit) d'échappement 114. Le volume d'échappement 114 est relié à un conduit d'entrée 116 d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 118. Le GVRC 118 comprend un carter 120 qui renferme des tubes vaporiseurs 122. Le carter 120 est relié à un conduit de sortie 125.
Les tubes vaporiseurs 122 sont reliés à une pompe 124 et à une turbine à vapeur 126. La turbine à vapeur 12.6 est accouplée mécaniquement avec un alternateur 128. La turbine à vapeur fournit de la vapeur à un condenseur 130 relié à la pompe 124. En fonctionnement, de l'air 101 entre dans le volume d'admission 106 d'air et est mis sous pression par le compresseur 108. Un combustible est ajouté à l'air comprimé et enflammé dans le dispositif de combustion 110. Les gaz chauds détendus s'écoulent dans la turbine 112, laquelle fait tourner et entraîne le compresseur 108 et l'alternateur 104. Des gaz d'échappement 103 sortent du volume d'échappement 114 et pénètrent dans le conduit d'entrée 116 et le carter 120 du GVRC 118. Les gaz d'échappement 103 passent dans le GVRC 118 et autour des' tubes vaporiseurs 122, chauffant l'eau de chaudière circulant dans les tubes vaperiseurs 122. L'eau de chaudière est convertie en vapeur qui entraîne la turbine à vapeur 126 et l'alternateur 128 accouplé mécaniquement. La vapeur sort de la turbine 126 à vapeur et est condensée par le condenseur, sous la forme d'eau qui est mise sous pression par la pompe 124. La figure 2 est une vue latérale d'une partie d'un exemple de réalisation d'un dispositif 202 de tube vaporiseur. Le dispositif 202 de tube vaporiseur comporte un tube 204 et des ailettes 206 disposées parallèlement sur une surface extérieure 208 du tube 204. Le tube 204 et les ailettes 206 peuvent être en n'importe quelle matière appropriée dont, par exemple, l'acier ou une autre matière métallique. Les ailettes 206 peuvent être fixées à la surface extérieure 208 du tube 204 à l'aide d'un procédé approprié comme, par exemple, le soudage, le brasage, le collage ou un assemblage mécanique. La figure 3 est une vue en coupe, prise suivant la ligne 3-3 (de la figure 2) du dispositif 202 de tube vaporiseur. Le dispositif 202 de tube vaporiseur comprend une cavité 302 définie par le tube 204 et ayant. une surface intérieure 304. Le tube 204 a une forme elliptique, ayant un grand axe (axe longitudinal) (y) 301 plus long qu'un petit axe (axe transversal) (x) 303, avec y>x. La figure 4 est une vue latérale d'une partie .d'un autre exemple possible de forme de réalisation d'un dispositif 402 de tube vaporiseur. Le dispositif 402. de tube vaporiseur comporte un tube 404 et :des ailettes 406 disposées parallèlement sur une surface extérieure 408 du tube 404, La figure 5 est une vue en coupe., prise suivant la ligne 5-5 (de la figure 4), du. dispositif 402 de tube vaporiseur. Le dispositif 402 de tube Vaporiseur eomprend une cavité 502 définie par le tube. 404 et :ayant une surface intérieure 504. Le tube 404 est en forme de gélule, avec un axe longitudinal (a) 501 plus long qu'un axe transversal (b) ,503, avec a>b. Le tube 404 comprend des segments longitudinaux parallèles. 510 et des segments d'extrémités 512 créant une fertile continue. Les segments d'extrémités 512 du. dispositif 402. de tube vaporiseur sont arrondis, présentant un rayon (r) 505. La figure 6 est une vue en coupe d'un. exemple de forme de réalisation d'un agencement de dispositifs 202 de tubes vaporiseurs dans une. partie du GVRC 118 (de la figure 1). Le trajet d'écoulement des gaz d'échappement 103 depuis le moteur 102 à turbine à gaz est. représenté. En fonctionnement,. l'eau de la chaudière passe dans la cavité 204 des dispositifs 202 de tubes vaporiseurs. Les gaz d'échappement 103 transfèrent de la ehaleur vers l'eau de la chaudière- par l'intermédiaire des. ailettes 206 et du tube 204. La forme elliptique du dispositif 202 de tube vaporiseur améliore la circulation des gaz d'échappement 103 en agrandissant et en aplanissant la surface de chaque dispositif 202 de tube dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement 103, et réduisant la perte de pression dans le GVRC 118. La forme elliptique du tube 204 et des ailettes 206 accroit la superficie du dispositif 202 de tube vaporiseur (par opposition à un ensemble de forme circulaire constitué par un tube et des ailettes) et accroit le transfert de chaleur depuis chaque tube vers l'eau de la chaudière. L'amélioration du transfert de chaleur du dispositif 202 de tube vaporiseur peut également permettre à l'espacement (les intervalles) (indiqué par la flèche 601) des dispositifs 202 de tubes vaporiseurs d'être relativement plus grand (que dans le cas d'un agencement de tubes circulaires) tout en conservant les caractéristiques souhaitables de transfert de- chaleur (efficacité de l'échangeur de chaleur) du GVRC 118. L'espacement plus grand des dispositifs 202 de tubes vaporiseurs réduit encore la perte de pression et améliore le débit des gaz d'échappement 103 durant leur traversée du GVRC' 118. Par exemple, considérant la figure 1, les gaz d'échappement 103 ont une pression P1 dans le conduit d'entrée 114 du GVRC 118 et une pression P2 dans le conduit de sortie 125. La différence de pression peut être exprimée sous la forme : AP=P2-P1. Dans la forme de réalisation illustrée, la Al) est inférieure à une AP pour un GVRC ayant des tubes espacés par des intervalles plus petits (par exemple, un agencement de tubes vaporiseurs circulaires). La réduction de àP dans la forme de réalisation illustrée améliore le rendement du moteur 102 à turbine à gaz (de la figure 1) en réduisant une contre-pression dans la turbine 112. Le rendement accru du moteur 102 â turbine à gaz accroît le rendement global du système 100. Un autre avantage de l'amélioration du transfert de chaleur du dispositif 202 de tube vaporiseur est que le nombre de dispositifs 202 de tubes vaporiseurs dans le GVRC 118 peut être réduit de la sorte, l'encombrement (et le coût) du GVRC 118 s'en trouve réduit, tout en conservant une valeur voulue d'efficacité de l'échangeur de chaleur. La figure 7 est une courbe illustrant le changement de kilowatts (kW) produits d'un système à cycle combiné (CCkW) similaire au système 100 décrit plus haut et d'un cycle simple (SCkW) en fonction d'un changement de la pression d'échappement dP (dP) (en pouces d'eau) d'un moteur à turbine. A cet égard, une baisse de la pression d'échappement a pour conséquence une augmentation de la production.
La figure 8 est une courbe illustrant le changement de rendement d'un système à cycle combiné (CCeff) et d'un cycle simple (SCeff) en fonction d'un changement dans la pression d'échappement dP (AP) (en pouces, soit 2,54 cm, d'eau) d'un moteur à turbine. Une réduction de 1a pression d'échappement a pour conséquence une -augmentation du rendement. L'amélioration du débit des gaz d'échappement 103 améliore le transfert de chaleur des dispositifs 202 de tubes vaporiseurs en transférant de la chaleur d'une manière plus homogène vers les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs lorsque les gaz d'échappement 103 passent dans le GVRC 118. Par exemple, considérant la figure 6, les tubes' de la rangée 602 reçoivent des gaz d'échappement 103 à une température et un débit plus élevés que les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs de la rangée 604 en raison de la déperdition de chaleur dans les gaz d'échappement 103 lorsque les gaz circulent dans le GVRC 118. Le trajet d'écoulement amélioré de la forme de réalisation illustrée réduit la différence entre la chaleur transférée vers les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs de la rangée 602 et les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs de la rangée 604. Le transfert de chaleur plus uniforme vers les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs le long du trajet d'écoulement des gaz d'échappement 103 améliore le rendement du GVRC 118 et du système 100 et peut permettre une réduction du nombre de dispositifs 202 de tubes vaporiseurs dans GVRC 118 tout en maintenant une valeur souhaitable de rendement de l'échangeur de chaleur. Le nombre réduit de dispositifs 202 de tubes. vaporiseurs dans 1.e GVRC 118 peut permettre une réduction de l'encombrement du GVRC 118. La figure 9 est une vue en coupe d'un autre exemple possible de. forme_ de réalisation d'un: agencement de dispositifs 402 de tubes vaporiseurs dans une partie. du GVRC 118 (de. la figure. 1). Les IO dispositifs 402. de: tubes vaporiseurs sont agencés d'une manière similaire l'agencement représenté . sur la figure 6. La figure 10 est une vue en coupe d'un autre exemple possible de forme de réalisation d'un agencement de dispositifs 202 de tubes vaporiseurs dans une- partie du GVRC .1.18 (de la figure 1). 15 Les dispositifs 202 de tubes vaporiseurs sont disposés en rangées en quinconce.
Liste des repères 100 Système de production d'électricité 101 Air 102 Moteur à turbine à gaz 103 Gaz d'échappement 104 Alternateur 106 Volume d'admission d'air 108 Partie compresseur 110 Partie dispositif de combustion 112 Partie turbine 114 Volume d'échappement 116 Conduit d'entrée 118 Générateur de vapeur à récupération de chaleur 120 Carter 122 Tubes vaporiseurs 124 Pompe 125 Conduit de sortie 126 Turbine à vapeur 128 Alternateur 130 Condenseur 202 Dispositif de tube vaporiseur 204 Tube 206 Ailettes 208 Surface extérieure 301 Grand axe (axe longitudinal) 303 Petit axe (axe transversal) 304 Surface intérieure 402 Dispositif de tube vaporiseur 404 Tube 406 Ailettes 408 Surface extérieure 501 Axe longitudinal 502 Cavité 503 Axe transversal 504 Surface intérieure 505 Rayon 510 Segments longitudinaux 512 Segments d'extrémités 601 Espacement (intervalles) 602 Rangée 604 Rangée