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PROCEDE ET APPAREIL DE TRANSMISSION DE CHALEUR ENTRE DES MATIERES PULVERULENTES
ET EN FLUIDE.
La présente invention concerne un procédé et un appareil de transmission de chaleur entre des matières pulvérulentes et un fluide en réduisant au minimum les pertes de chaleur.
Elle est particulièrement avantageuse dans les opérations de refroidissement de matières pulvérulentes chaudes, telles que l'alumine calcinée et substances analogues, avec récupération simultanée de la chaleur.
Le refroidissement des,matériaux de ce type s'est effectué ordinairement jusqu'à présent dans des refroidisseurs transporteurs rotatifs, qui présentent divers inconvénients, dont les plus graves consistent dans le rendement relativement faible du refroidissement par unité de longueur, dans le prix de revient élevé de leur construction et de leur entretien, et dans le fait qu'ils ne comportent pas de dispositifs efficaces permettant de récupérer dans des conditions pratiques économiques la chaleur soustraite aux matières solides à l'état de fine division.
On sait depuis un certain temps qu'il est possible de réduire l'angle du talus d'éboulement des matières solides à l'état de très fine division jusqu'à une valeur pour laquelle les matières solides se comportent dans une large mesure comme des fluides, en faisant passer de bas en haut à travers ces matières un courant d'air ou d'un autre fluide gazeux réglé avec soin. Les matières pulvérulentes dans cet état sont dites "fluidifiées" et diverses applications industrielles de ce phénomène ont déjà été proposées.
Il a été découvert par exemple qu'on peut faire passer des solides fluidifiés de haut en bas dans une tour d'une forme de construction appropriée, à contre-courant avec un courant de gaz, exactement de la même manière qu'on peut faire couler un liquide de haut en bas dans une tour à plateau de barbotage, à contre-courant avec un courant de gaz. Ce type d'installation a été préconisé dans diverses applications qui comportent un échange de chaleur direct entre le courant de gaz ascendant et le courant descendant de solides
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fluidifies.
En raison de la hauteur considérable nécessaire à ce type d'ins- t allation et de la difficulté de récupérer la chaleur absorbée par le courant de gaz ascendant d'une manière acceptable dans la pratique, ainsi que du problème qui résulte de l'entraînement des particules pulvérulentes dans le courant de gaz, ce procédé ne convient pas très bien au refroidissement de matériaux tels que l'alumine calcinée et substances analogues. Il n'existe pas encore de procédé satisfaisant permettant d'effectuer cette opération et de récupérer dans des conditions acceptables et pratiques la quantité de chaleur soustraite aux matières pulvérulentes.
L'invention fournit un procédé et un appareil qui permettent d'effectuer d'une manière efficace le refroidissement de matières pulvérulentes chaudes,tout en récupérant un pourcentage très élevé de la quantité de chaleur perdue par le refroidissement. De plus, étant donné la simplicité de la forme de construction de l'installation suivant l'invention, et l'absence dans cette installation d'éléments en mouvement, la dépense de premier établissement de l'installation est faible et sa dépense d'entretien est réduite au minimum. En outre, l'invention fournit un procédé et un appareil de forte capacité de refroidissement par unité de volume occupé et de forte capacité par unité de poids et par heure des matériaux traités, sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la hauteur au-delà de celle des bâtiments industriels normaux.
Suivant l'invention,on maintient à l'état "fluidifié" une couche horizontale de la matière pulvérulente chaude en y faisant passer de bas en haut un courant d'un fluide gazeux réglé et uniformément réparti, et en faisant suivre à la matière ainsi fluidifiée un trajet sensiblement horizontal devant des serpentins de refroidissement disposés dans la couche, en faisant arriver d'une manière continue la matière pulvérulente chaude dans la région inférieure de la couche, à une de ses extrémités, et en faisant sortir à l'autre extrémité de la couche par un déversoir un courant continu de la matière fluidifiée refroidie.
Le fluide gazeux de flùidifi- cation se sépare de la matière pulvérulente au moment où elle se déverse à l'extrémité de la couche, et la matière pulvérulente refroidie est prête à être transportée plus loin, en vue de son expédition ou pour subir d'autres opérations.
L'appareil suivant l'invention est d'une forme de construction simple en principe et consiste essentiellement en un bac transporteur en forme d'auge allongée dont le fond est formé par un diaphragme à travers lequel le fluide gazeux de fluidification peut être refoulé sous pression.
Une boîte à air d'une forme courante est disposée au-dessous du diaphragme et est équipée avec des dispositif s appropriés, en vue d'y faire arriver un fluide gazeux approprié avec un débit de refoulement et sous une pression réglés. Une extrémité du bac comporte un dispositif qui y fait arriver d'une manière continue la matière pulvérulente chaude à refroidir, et des dispositifs limitent l'arrivée du courant de matière pulvérulente à la région voisine du fond du bac. De préférence, le débit d'arrivée de la matière pulvérulente peut être réglé. L'autre extrémité du bac comporte une porte de sortie, dont la hauteur de levée peut être réglée de préférence, et par dessus laquelle la matière pulvérulente fluidifiée re- froidie peut se déverser dans une trémie appropriée.
La trémie comporte un tuyau d'échappement des gaz de fluidification qui se séparent de la ma- tière pulvérulente refroidie en ce point. Des serpentins de refroidissement,comportant des dispositifs qui y font circuler un fluide de refroidis- sement, sont suspendus dans. le sens longitudinal sur la presque totalité de la longueur du bac transporteur. Ils peuvent être disposés d'une manière quelconque appropriée, pourvu qu'ils ne s'opposent pas à la circulation des solides fluidifiés.
Une forme de réalisation de l'invention est représentée sur le dessin ci-joint, sur lequel :
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la fig 1 est une coupe verticale longitudinale d'un appareil suivant l'invention,
La fige 2 est une coupe transversale verticale de cet appareil suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
Suivant la forme de réalisation représentée, l'appareil comporte un bac en forme d'auge allongée, désigné d'une manière générale par A. Le bac A est partagé par un diaphragme poreux 10 en une auge transporteuse 11 et une boîte à air 12. Le diaphragme est en une matière poreuse appropriée, telle que la toile, la toile métallique, ou analogue, supportée par une grille appropriée 10a, qui permet à l'air d'y passer mais retient la matière pulvérulente.
La boîte à air 12 est alimentée en air comprimé provenant d'une source appropriée (non représentée) par un orifice 13 et un tuyau d'air 14
L'extrémité 15 du bac transporteur 11 comporte une portion inclinée 16 qui forme une trémie d'alimentation 16a et des dispositifs (non représentés) y font arriver d'une manière continue la matière pulvérulente chaude par un tuyau d'alimentation 17. Une cloison ou porte 18 pouvant aller et venir verticalement ne permet à la matière pulvérulente de passer dans la partie du bac transporteur située au-dessus du diaphragme 10 que par l'espace libre situé au-dessous d'elle et formant un canal d'alimentation 18a.
La porte 18 comporte un dispositif 19 de commande à la main qui consiste en principe en un volant à main 20 dans lequel se visse une vis 21 mobile verticalement, de sorte qu'en faisant tourner le volant 20 on fait monter ou descendre la porte 18 pour l'amener dans la position de réglage qu'on désire.
Ainsi qu'il est connu des spécialistes des questions des caractéristiques d'écoulement des solides pulvérulents, le débit d'une matière pulvérulente provoqué par une charge de pesanteur quelconque à travers une porte telle que le canal d'alimentation 18a dépend dans une large mesure de l'angle du talus d'éboulement naturel de la matière,ainsi que d'autres caractéristiques physiques de cette matière.
Par suite, bien que le réglage en hauteur vertical de la porte 18 ne soit pas-indispensable au principe de fonctionnement de l'installation, il est extrêmement avantageux pour permettre de régler le débit de la charge dans les meilleures conditions de fonctionnement, malgré les variations des caractéristiques physiques de la charge.
La partie supérieure du bac transporteur 11 est fermée à l'air libre par une plaque de couverture 22 qui est fixée sur des brides 22a par des boulons 22b
Les serpentins de refroidissement 25 sont disposés dans le bac transporteur 11 et sont reliés en série à un tuyau d'arrivée approprié d'un fluide de refroidissement. Les serpentins de refroidissement peuvent évidemment être accouplés en parallèle ou en série-parallèle, sans modifier le principe essentiel de l'installation.
Des dispositifs (non représentés) de l'installations de refroidissement servent à faire circuler d'une manière continue le fluide de refroidissement dans les serpentins à contre-courant avec le courant de matière pulvérulente circulant dans le bac transporteur .il
On peut donner aux serpentins de refroidissement 25 n'importe quelle forme ne s'opposant pas dans-des conditions excessives à la circulation des solides fluidifiés Mais on a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants avec des faisceaux plats de serpentins tubulaires,
à peu près tels qu'ils sont représentés
L'extrémité 26 du bac transporteur 11 comporte un élément 27 mobile verticalement et formant une porte de sortie 27a à travers laquelle la
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matière pulvérulente fluidifiée peut se déverser dans une trémie 28. On règle la position en hauteur de l'élément mobile verticalement 27 de la même manière que celle de la porte 21 par un volant à main 30 qui est vissé sur un élément fileté 31 mobile verticalement.
Une cheminée 32 disposée au-dessus de la trémie 28 sert à évacuer le gaz de fluidification une fois séparé de la matière pulvérulente.
Le bac A est supporté d'une manière appropriée sur le plancher de l'usine par des pieds 33 et 34
L'appareil décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante :
On fait arriver la matière pulvérulente chaude, telle que de l'alumine calcinée ou substance analogue, à l'extrémité 15 du bac transporteur 11 en la faisant passer par la porte d'alimentation 18a sur le diaphragme 10. On fait passer de l'air ou autre fluide gazeux de fluidification de bas en haut par le fond poreux sous forme de courant réglé et, pendant que la matière pulvérulente passe sous la porte d'alimentation 18, l'air la traverse de bas en haut, en réduisant ainsi sensiblement à zéro l'angle de son talus d'éboulement.
La matière pulvérulente, en se fluidifiant, se comporte à peu: près comme un liquide et passe sur le diaphragme 10, puis commence à remplir le bac transporteur 11. Dès que le niveau de la matière pulvérulente fluidifiée atteint une certaine hauteur dans le bac transporteur 11, elle commence à se déverser en passant sur la porte de sortie 27a pour arriver dans la trémie 28, et le débit de la matière déversée dans la trémie devient finalement égal au débit d'arrivée de la matière pulvérulente chaude à traiter,introduite dans la trémie d'alimentation 16a. Le niveau de la partie supérieure de la matière fluidifiée reste sensiblement constant dans le bac transporteur 11, comme indiqué en 35.
Mais on remarquera que chaque particule distincte de la matière pulvérulente circule entre l'orifice d'entrée 18a et la porte de sortie 27a et que pendant son trajet, elle passe autour et, sur les serpentins 25 dans lesquels circule le fluide de refroidissement.
Lorsque la matière pulvérulente refroidie se dépose dans la trémie 28, le gaz de fluidification s'en sépare et s'échappe vers le haut par la cheminée 32. On décharge à volonté la matière pulvérulente froide à la partie inférieure de la trémie 28.
Il est facile de voir que, bien que les seipentins de refroidis- sement, soient accouplés en série sur la figure, et que leur extrémité de sortie se trouve du côté chaud du bac transporteur 11, ces serpentins peuvent être disposés dans le bac d'une manière quelconque convenant à n'impor- te quel cas particulier, en donnant des résultats aussi satisfaisants, et qu'en outre,l'installation décrite ci-dessus, au lieu de servir à refroidir une matière pulvérulente, peut aussi servir à lui céder de la chaleur.
On a constaté que, pour que l'appareil fonctionne convenablement le coefficient de débit horaire de l'air de fluidification doit être suffi- sant pour provoquer la fluidification complète des solides, mais sensible- ment inférieur à la limite de vitesse pour laquelle une partie ou la totali- té des particules solides sont entraînées par le gaz ,en formant un "systè- me dispersé de fluide et de solides".
Le rendement de la transmission de chaleur et la quantité de cha- leur récupérée dans le fluide de refroidissement sont remarquables, comme l'indique l'exemple suivant qui représente le bilan thermique réalisé dans un appareil d'essai.
Exemple : On a construit un appareil d'essai de la même forme que celui des figs. 1 et 2 et dont les dimensions sont les suivantes : lon- gueur 3,65 m, largeur = 0,45 m, longueur du bac transporteur = 3,05 m, lar- geur du bac = 0,45 m, hauteur du bac = 1,06 m, équipée avec une porte régla-
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ble et des éléments d'échange de chaleur sous forme de deux faisceaux de serpentins refroidis par circulation d'eauo Le volume d'air moyen servant à la fluidification = 9,587 m3/m2 par minute. Le début de l'eau de refroidissement dans les serpentins = 18 litres par minute et le poids d'alumine criculant dans l'appareil = 6800 kg par heure. La température de l'alumine à l'entrée = 183 C et tombe à 132 C à la sortie.
La température de l'eau à l'entrée = 24 C et à la sortie = 89 Co Le bilan thermique total de l'essai est le suivant
EMI5.1
<tb>
<tb> Cal-min <SEP> %
<tb> a) <SEP> Quantité <SEP> totale <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> apportée <SEP> par <SEP> l'alumine <SEP> 1275 <SEP> 100,00
<tb> b) <SEP> Chaleur <SEP> absorbée <SEP> par <SEP> l'air <SEP> de
<tb> fluidification <SEP> 100 <SEP> 7,84
<tb> c) <SEP> Chaleur <SEP> récupérée <SEP> par <SEP> le <SEP> fluide
<tb> de <SEP> refroidissement <SEP> 1157 <SEP> 90,76
<tb> d) <SEP> Perte <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> par <SEP> rayonnement. <SEP> 18 <SEP> le40
<tb>
On a constaté que la température dans une section verticale de la couche est la même en bas et en haut.
On a constaté aussi que la baisse de température d'un bout à l'autre du bac est une fonction logarithmique de la distance à partir de l'extrémité d'entrée lorsque la surface de r efroidissement est continue dans toute la longueur du bac, et une variation d'une fonction linéaire et d'une fonction logarithmique lorsque la surface de refroidissement n'est pas continue.
REVENDICATIONS.
1. - Un procédé d'échange de chaleur entre des matières pulvérulentes et un fluide circulant dans des éléments d'échange de chaleur en contact avec les matières pulvérulentes, consistant à former une couche de forme allongée sensiblement horizontale des matières pulvérulentes autour des éléments d'échange de chaleur, à faire passer un courant d'un fluide gazeux réglé avec soin, uniformément dispersé de bas en haut dans la couche de façon à maintenir la matière pulvérulente à l'état fluidifié, à faire arriver la matière pulvérulente d'une manière continue à une extrémité de la couche au voisinage de sa partie inférieure, à retirer la matière pulvérulente fluidifiée à la partie supérieure de l'autre extrémité de la couche, et à faire évacuer le fluide gazeux au m oment où il se sépare de la matière ainsi retirée,
de sorte que les particules de la matière pulvérulente circulent à peu près horizontalement dans le sens longitudinal de la couche à l'état fluidifié, en passant autour des éléments d'échange de chaleur de façon à leur céder leur chaleur.