FR2999280A1 - DEVICE AND METHOD FOR THE ENERGY RECOVERY OF HOT GASES CHARGED IN WATER. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de régulation énergétique de gaz chauds chargés en eau rejetés en sortie d'une chaudière ou d'un processus industriel (10), caractérisé par le fait qu'il comprend un condenseur (100) disposé en sortie des gaz chauds, un circuit de dérivation (110) placé en parallèle du condenseur (100), un système (120) de régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation (110), un premier capteur (130) de mesure de la température Tr des gaz en sortie du condenseur (100) et en amont du mélange entre la sortie du condenseur (100) et la sortie du circuit de dérivation (110), un deuxième capteur (140) de mesure de la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur (100) et le circuit de dérivation (110) et des moyens (150) de pilotage du système (120) de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation (110) sur la base d'une valeur de consigne (CTm) de la température Tm après mélange, définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur (100).The present invention relates to a device for energy regulation of hot gases charged with water discharged at the outlet of a boiler or an industrial process (10), characterized in that it comprises a condenser (100) disposed at the outlet of the gases a circuit (120) for regulating the flow of hot gases flowing in the branch circuit (110), a first sensor (130) for temperature Tr of the gases at the outlet of the condenser (100) and upstream of the mixture between the outlet of the condenser (100) and the outlet of the bypass circuit (110), a second sensor (140) for measuring the temperature Tm of the gases after mixing between the outlet of the condenser (100) and the bypass circuit (110) and means (150) for controlling the flow control system (120) circulating in the bypass circuit (110) on the basis of a value setpoint (CTm) of the temperature Tm after mel angel, defined by a polynomial function of the temperature at the outlet of the condenser (100).
Description
La présente invention concerne le domaine des installations rejetant des gaz chauds. Il peut s'agir de chaudières ou de tout processus industriel. Afin de tenter de récupérer au moins une partie de l'énergie dissipée par le rejet de tels gaz chauds, il a été proposé à maintes reprises d'installer des échangeurs de chaleur de type condenseurs sur la sortie des gaz chauds chargés en eau rejetés par les chaudières ou processus industriels précités. Cependant, l'installation de tels échangeurs de chaleur conduit à la formation de gaz saturés en eau en sortie de l'échangeur. En aval du condenseur ces gaz se condensent dans les circuits et provoquent des condensats acides nuisibles aux équipements. Sur les équipements existants, l'installation d'un condenseur seul pour récupérer l'énergie exige donc généralement la modification des 15 équipements en aval du condenseur pour les protéger des condensats, notamment le retubage des cheminées. Il en résulte jusqu'à présent un surcoût qui est insuffisamment compensé par les économies d'énergie et qui ne permet donc pas d'avoir un temps de retour sur l'investissement acceptable pour les industriels. 20 Face à cette situation, la présente invention a pour objectif de proposer de nouveaux moyens qui éliminent les inconvénients de la technique antérieure. Le but précité est atteint selon l'invention grâce à un dispositif de récupération énergétique de gaz chauds chargés en eau rejetés en 25 sortie d'une chaudière ou d'un processus industriel, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur-condenseur disposé en sortie des gaz chauds, un circuit de dérivation placé en parallèle du condenseur, un système de régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation, un premier capteur de mesure de la température des gaz en 30 sortie du condenseur et en amont du mélange entre la sortie du condenseur et la sortie du circuit de dérivation, un deuxième capteur de mesure de la température des gaz après mélange entre la sortie du condenseur et le circuit de dérivation et des moyens de pilotage du système de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation sur la base d'une valeur de consigne de la température après mélange définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur.The present invention relates to the field of installations releasing hot gases. They can be boilers or any industrial process. In an attempt to recover at least a portion of the energy dissipated by the discharge of such hot gases, it has been repeatedly proposed to install condenser type heat exchangers on the outlet of the hot gases charged with water discharged by the aforementioned boilers or industrial processes. However, the installation of such heat exchangers leads to the formation of gas saturated with water at the outlet of the exchanger. Downstream of the condenser these gases condense in the circuits and cause acid condensates harmful to the equipment. On existing equipment, the installation of a single condenser to recover the energy therefore generally requires the modification of the equipment downstream of the condenser to protect condensate, including the retubing chimneys. The result so far is an additional cost that is not sufficiently offset by energy savings and therefore does not allow to have an investment return time acceptable for industry. In view of this situation, the object of the present invention is to propose new means which eliminate the drawbacks of the prior art. The above-mentioned object is achieved according to the invention by means of a device for the energy recovery of hot gases charged with water discharged at the outlet of a boiler or of an industrial process, characterized in that it comprises a heat exchanger-condenser arranged at the outlet of the hot gases, a bypass circuit placed in parallel with the condenser, a system for regulating the flow of hot gases flowing in the bypass circuit, a first sensor for measuring the temperature of the gases leaving the condenser and upstream of mixing between the condenser outlet and the outlet of the bypass circuit, a second sensor for measuring the temperature of the gases after mixing between the outlet of the condenser and the bypass circuit and control means of the flow control system flowing in the bypass circuit on the basis of a set value of the temperature after mixing defined by a polynomial function of the temperature in condenser outlet.
La solution technique ainsi proposée selon l'invention permet la récupération optimale de l'énergie contenue dans les gaz chauds, notamment l'eau de combustion de gaz chauds, sans modification des installations en aval du condenseur. En remontant la température des gaz en sortie du condenseur grâce à une partie du débit des gaz chauds prélevés sur l'entrée de l'échangeur-condenseur et détournés pour être réinjectés en sortie du condenseur, l'on évite la condensation et se faisant la formation de condensats acides nuisibles comme constaté selon l'état de la technique. La présente invention concerne également un procédé de récupération énergétique des gaz chauds chargés en eau, mettant en oeuvre le dispositif précité, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de récupération de calories au niveau d'un condenseur disposé en sortie des gaz chauds, une dérivation de gaz chaud issus de la chaudière ou du processus industriel à l'aide d'un circuit de dérivation placé en parallèle du condenseur, une régulation du flux de gaz chauds circulant dans le circuit de dérivation, une mesure de la température Tr des gaz en sortie du condenseur et en amont du mélange entre la sortie du condenseur et la sortie du circuit de dérivation à l'aide d'un premier capteur, une mesure de la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur et le circuit de dérivation à l'aide d'un deuxième capteur et une étape de pilotage de la régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation sur la base d'une valeur de consigne de la température Tm après mélange, définie par une fonction polynomiale de la température en sortie du condenseur.The technical solution thus proposed according to the invention allows the optimal recovery of the energy contained in the hot gases, in particular the hot gas combustion water, without modifying the installations downstream of the condenser. By raising the temperature of the gases at the outlet of the condenser through a portion of the flow of the hot gases taken from the inlet of the heat exchanger and diverted to be reinjected at the outlet of the condenser, condensation is avoided and the formation of harmful acid condensates as found according to the state of the art. The present invention also relates to a method for energy recovery of hot gases charged with water, using the aforementioned device, characterized in that it comprises a step of recovering calories at a condenser disposed at the outlet of the hot gases , a bypass of hot gas from the boiler or the industrial process by means of a bypass circuit placed in parallel with the condenser, a regulation of the flow of hot gases flowing in the bypass circuit, a measurement of the temperature Tr gases at the outlet of the condenser and upstream of the mixture between the outlet of the condenser and the outlet of the bypass circuit using a first sensor, a measurement of the temperature Tm of the gases after mixing between the outlet of the condenser and the bypass circuit using a second sensor and a control step of regulating the flow flowing in the bypass circuit on the basis of a value of c temperature set Tm after mixing, defined by a polynomial function of the temperature at the outlet of the condenser.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 annexée représente une vue schématique d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 représente le schéma de principe de la consigne de température pour cette première variante de réalisation, - la figure 3 représente une vue schématique de principe d'une installation conforme à un deuxième mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et - la figure 4 représente le schéma de principe de la consigne de température correspondante.Other features, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows, and with reference to the accompanying drawings given by way of non-limiting examples and in which: - Figure 1 attached represents a view schematic of an installation according to a first embodiment of the present invention, - Figure 2 shows the schematic diagram of the temperature setpoint for this first embodiment, - Figure 3 shows a schematic view of the principle of an installation according to a second preferred embodiment of the present invention, and - Figure 4 shows the block diagram of the corresponding temperature setpoint.
On va dans un premier temps décrire l'installation conforme à la première variante de réalisation illustrée sur la figure 1 annexée. On aperçoit sur cette figure 1, un système portant la référence générale 10 qui correspond à une chaudière ou tout processus industriel délivrant sur sa sortie 12 des gaz chauds chargés en eau.We will first describe the installation according to the first embodiment shown in Figure 1 attached. This figure 1 shows a system with the general reference 10 which corresponds to a boiler or any industrial process delivering on its outlet 12 hot gases loaded with water.
Comme indiqué précédemment, selon l'invention, il est prévu en aval de la sortie 12 de gaz chauds : - un condenseur 100 constitué d'un échangeur de chaleur, - un circuit de dérivation 110 placé en parallèle du condenseur 100, - un système 120 de régulation du flux circulant dans le circuit de dérivation 110, - un premier capteur de température 130 adapté pour mesurer la température Tr des gaz chauds en sortie du condenseur 100 avant mélange des gaz issus du condenseur 100 avec les gaz issus du circuit de dérivation 110, - un deuxième capteur de température 140 adapté pour mesurer la température Tm des gaz après mélange entre la sortie du condenseur 100 et la sortie du circuit de dérivation 110 et - un module 150 adapté pour piloter le système de régulation de flux 120 dans le circuit de dérivation 110 sur la base d'une valeur de consigne de la température après mélange CTm, contrôlée par le capteur 140, définie par une fonction polynomiale de la température Tr en sortie du condenseur 130 mesurée par le capteur 130.As indicated above, according to the invention, downstream of the outlet 12 of hot gases is provided: a condenser 100 consisting of a heat exchanger, a bypass circuit 110 placed in parallel with the condenser 100, a system 120 regulating the flow flowing in the branch circuit 110, - a first temperature sensor 130 adapted to measure the temperature Tr of the hot gases leaving the condenser 100 before mixing the gases from the condenser 100 with the gases from the bypass circuit 110, a second temperature sensor 140 adapted to measure the temperature Tm of the gases after mixing between the outlet of the condenser 100 and the outlet of the bypass circuit 110 and a module 150 adapted to drive the flow control system 120 in the bypass circuit 110 on the basis of a set temperature value after mixing CTm, controlled by the sensor 140, defined by a polynomial function of the temperature Tr output at the output of the condenser 130 measured by the sensor 130.
Le condenseur 100 peut être formé de tout échangeur de chaleur connu en soi. Sa structure et son fonctionnement ne seront donc pas décrits plus en détail par la suite. Le cas échéant, il peut d'ailleurs être prévu un système échangeur additionnel dénommé économiseur en amont du condenseur 100 entre le point d'entrée du circuit de dérivation 120 et l'entrée du condenseur 100. Un tel économiseur est connu en soi. Il n'est donc pas représenté sur les figures annexées afin de simplifier l'illustration. De même, sa structure et son fonctionnement connus en soi ne seront pas décrits plus en détail par la suite. Sur la figure 1 annexée, on a référencé 122 le point d'entrée du circuit de dérivation 120 entre la sortie 12 des gaz chauds et l'entrée 102 du condenseur 100 et l'on a référencé 124 le point de mélange entre la sortie du circuit de dérivation 110 et la sortie 104 du condenseur 100. Avantageusement, la fonction polynomiale précitée définissant la valeur de consigne CTm de la température Tm est de type CTm =A.Tr+B dans laquelle les coefficients A et B dépendent de la température 20 moyenne des gaz en entrée de l'échangeur condenseur 100. Le système de régulation 120 de flux placé dans le circuit de dérivation 100 peut être formé de tout moyen approprié. Il s'agit de préférence d'un volet motorisé piloté par le module de pilotage 150 pour être déplacé entre une position dans laquelle il libère complètement la 25 section du circuit de dérivation 110 afin d'autoriser un flux maximal et une position d'obturation de la section du circuit de dérivation 110 pour interrompre le flux précité. Les gaz chauds provenant de la chaudière 10 ou du processus industriel sont refroidis partiellement dans l'échangeur condenseur 100, 30 ce qui permet de refroidir les gaz en dessous de leur température de rosée afin de récupérer une partie de l'énergie contenue dans l'eau sous forme latente. Le circuit de dérivation 110 dévie une partie des gaz chauds afin de les mélanger dans le mélangeur 124 avec les gaz issus du condenseur 100, et ainsi remonter la température des gaz en sortie du mélangeur 124 au-dessus de la température de rosée du mélange. Selon une variante de réalisation ébauchée sur la figure 1, l'invention peut également mettre en oeuvre un troisième capteur de température 160 qui mesure la température de l'air extérieur Te. Dans ce cas la loi polynomiale qui pilote le système de régulation de flux 120 à partir du module 150, en définissant une température de consigne CTm pour la température Tm en sortie de l'échangeur-condenseur 100 est de type CTm =A.Tr+A'.Te+B+B' dans laquelle les coefficients A, A' et B, B' dépendent de la température moyenne des gaz en entrée de l'échangeur condenseur 100. On a schématisé sur la figure 2, le fonctionnement du module de régulation 150 recevant en entrée les deux températures mesurées Te et Tr pour fournir la consigne de régulation CTm à laquelle est comparée la température Tm réellement mesurée par le capteur 140. Les inventeurs ont en outre déterminé que la consigne de température CTm des gaz en sortie du mélangeur 124, mesurée par le capteur 140, peut être optimisée, afin de maximiser la récupération d'énergie par l'échangeur, en prenant en compte tout ou partie des mesures additionnelles suivantes : la mesure de température Tf des gaz en amont du circuit de dérivation 110 à l'aide d'un capteur 170 et la mesure de la concentration 02 en oxygène des gaz en amont du condenseur 100 à l'aide d'un capteur dédié 180.The condenser 100 may be formed of any heat exchanger known per se. Its structure and operation will not be described in more detail later. If necessary, there may also be provided an additional exchanger system called economizer upstream of the condenser 100 between the point of entry of the branch circuit 120 and the inlet of the condenser 100. Such an economizer is known per se. It is therefore not shown in the accompanying figures to simplify the illustration. Similarly, its structure and operation known per se will not be described in more detail later. In the appended FIG. 1, the inlet point of the bypass circuit 120 between the outlet 12 of the hot gases and the inlet 102 of the condenser 100 is referenced 122 and the mixing point between the outlet of the condenser 100 is referenced 124. bypass circuit 110 and the output 104 of the condenser 100. Advantageously, the aforementioned polynomial function defining the setpoint value CTm of the temperature Tm is of CTm = A.Tr + B type in which the coefficients A and B depend on the temperature. average gas entering the condenser heat exchanger 100. The flow control system 120 placed in the branch circuit 100 may be formed of any suitable means. It is preferably a motorized shutter controlled by the control module 150 to be moved between a position in which it completely releases the section of the bypass circuit 110 in order to allow a maximum flow and a shut-off position. of the branch circuit section 110 to interrupt the aforementioned flow. The hot gases from the boiler 10 or the industrial process are partially cooled in the condenser heat exchanger 100, which allows the gases to cool below their dew point temperature in order to recover some of the energy contained in the heat exchanger. water in latent form. The bypass circuit 110 deflects part of the hot gases in order to mix them in the mixer 124 with the gases coming from the condenser 100, and thus to raise the temperature of the gases at the outlet of the mixer 124 above the dew point temperature of the mixture. According to an alternative embodiment sketched in FIG. 1, the invention can also implement a third temperature sensor 160 which measures the temperature of the outside air Te. In this case, the polynomial law that drives the flow control system 120 from the module 150, by defining a setpoint temperature CTm for the temperature Tm at the outlet of the heat exchanger-condenser 100, is of the CTm = A.Tr + type. A'.Te + B + B 'in which the coefficients A, A' and B, B 'depend on the average temperature of the gases at the inlet of the condenser exchanger 100. The operation of the module is shown diagrammatically in FIG. regulator 150 receiving at input the two measured temperatures Te and Tr to provide the regulation setpoint CTm to which the temperature Tm actually measured by the sensor 140 is compared. The inventors have furthermore determined that the temperature setpoint CTm of the output gases of the mixer 124, measured by the sensor 140, can be optimized, in order to maximize the energy recovery by the exchanger, taking into account all or part of the following additional measures: the temperature measurement Tf of the gas upstream of the bypass circuit 110 by means of a sensor 170 and the measurement of the oxygen concentration 02 of the gases upstream of the condenser 100 by means of a dedicated sensor 180.
Lorsque l'installation de régulation conforme à la présente invention met en oeuvre l'ensemble des capteurs de mesure précités, la consigne de température CTm est définie par une fonction polynomiale faisant intervenir des fonctions fi(re), f2(o2,-rf) et D02(02) du type: CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-X.Te+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) dans laquelle X, Y, Z et W sont des constantes. avec comme condition (si la mesure Tf est mesurée) que si Tf<Tfmin alors CTm =Tfmin.When the regulation installation in accordance with the present invention implements all of the aforementioned measurement sensors, the temperature set point CTm is defined by a polynomial function involving functions f1 (re), f2 (o2, -rf) and D02 (02) of the type: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'Tf + b ') - X.Te + (Y.Tf2 + Z.Tf-W) .D02 (O2s) in which X, Y , Z and W are constants. with as a condition (if the measurement Tf is measured) that if Tf <Tfmin then CTm = Tfmin.
Selon un mode particulier de mise en oeuvre, le calcul de la consigne CTm intègre les fonctions suivantes présentées sur le schéma de la figure 4 : . fO(Tr,Tf)= (af. Tf + bf).Tr+ (a "rf + b') . ficre)= -1,064.Te . D02(02,)=02s-02min. avec pour condition : Si la fonction D02(02,) est négative, alors D02(02s)=02min . f2(02,-rf)= (-0,0000146.Tf2+0.01.Tf-1,95)-DO2(02s) Ainsi selon une mise en oeuvre avantageuse mais non limitative : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te+(-0,0000146.Tf2+0.01.Tf- 1,95)-DO2(02s) Lorsque la mesure Tf n'est pas utilisée on fixe dans le calcul de CTm la valeur de Tf, en prenant comme valeur la température moyenne théorique des gaz en entrée échangeur.According to a particular mode of implementation, the calculation of the setpoint CTm integrates the following functions presented in the diagram of FIG. 4: fO (Tr, Tf) = (af Tf + bf) .Tr + (a "rf + b '). ficre) = -1,064.Te. D02 (02,) = 02s-02min. with the following condition: If the function D02 (02,) is negative, then D02 (02s) = 02min. F2 (02, -rf) = (-0,0000146.Tf2 + 0.01.Tf-1,95) -DO2 (02s) Thus according to an implementation advantageous but not limiting: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'Tf + b ') - 1,064.Te + (- 0,0000146.Tf2 + 0.01.Tf- 1,95) -DO2 (02s) When the Tf measurement is not used one fixes in the computation of CTm the value of Tf, while taking as value the theoretical average temperature of the gases in entrance exchanger.
Lorsque la correction de température extérieur Te n'est pas prise en compte dans le calcul de CTm on fixe la valeur de Te à 0. On a alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')+(Y.Tf2+Z.Tf-W).D02(02s) Et préférentiellement : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')+(-0,0000146.Tf2+0.01.Tf-1,95).D02(02s) Lorsque la correction à partir de la mesure de la concentration en oxygène n'est pas prise en compte D02(02,)=0. On a alors : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'.Tf+b')-X.Te Et préférentiellement : CTm =(afTf+bf).Tr+(a'Tf+b')-1,064.Te La mesure du taux d'oxygène doit être exprimée en sec. Les coefficients af, bf, a', b', 02min Tfmin dépendent du type de combustible utilisé. Un tableau indicatif et non limitatif est donné ci-30 dessous.When the external temperature correction Te is not taken into account in the calculation of CTm, the value of Te is set to 0. We then have: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'.Tf + b ') + (Y.Tf2 + Z.Tf-W) .D02 (02s) And preferentially: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'Tf + b ') + (- 0.0000146.Tf2 + 0.01.Tf- 1.95) .D02 (02s) When the correction from the measurement of the oxygen concentration is not taken into account D02 (02,) = 0. We then have: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'.Tf + b ') - X.Te And preferentially: CTm = (afTf + bf) .Tr + (a'Tf + b') - 1,064.Te The measurement of the oxygen content must be expressed in sec. The coefficients af, bf, a ', b', 02min Tfmin depend on the type of fuel used. An indicative and non-limiting table is given below.
Gaz Gaz Fioul Naturel Liquide Domestique af 0,004 0,004 0,004 bf -0,396 -0,392 -0,339 a' -0,227 -0,221 -0,193 b' 129,2 125,3 113,8 02min 2,9 3 4,6 Tfmin 110 110 100 En pratique les coefficients précités peuvent être définis par étalonnage et apprentissage in situ lors de la mise en service du système.Gas Gas Natural Oil Liquid Domestic af 0.004 0.004 0.004 bf -0.396 -0.392 -0.339 to -0.227 -0.221 -0.193 b '129.2 125.3 113.8 02min 2.9 3 4.6 Tfmin 110 110 100 In practice the aforementioned coefficients can be defined by calibration and in-situ learning during the commissioning of the system.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.Naturally, the invention is not limited to the particular embodiments that have just been described, but extends to all variants that are in keeping with its spirit.
Claims (13)
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