Echangeur de chaleur pour liquides chargés de solides
L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur direct entre des liquides chargés de solides, en particulier entre des boues d'épuration pouvant contenir jusqu'à 15% en poids de solides.
L'échange direct de chaleur entre des liquides chargés de solides, parmi lesquels notamment aussi les eaux usées ou les boues contenant jusqu'à 15% de solides - c'està-dire l'échange de chaleur sans transfert intermédiaire d'un premier mélange de liquide et de solide à un liquide caloporteur, par exemple de l'eau, puis de ce dernier au second mélange de liquide et de solide - soulève très souvent des difficultés.
En effet, d'une part, un bon coefficient de transmission de chaleur exige des vitesses relativement grandes de circulation, c'est-à-dire des sections d'écoulement relativement étroites et, d'autre part, le risque de colmatage des canalisations par de grosses impuretés, par exemple des pierres, poils, morceaux de tissu et de papier, chiffons, fils, pièces de caoutchouc et de matière plastique et autres éléments en gros morceaux, exige de très grandes sections des circuits.
L'un des fluides passe en général dans un tuyau et l'autre, dans un canal annulaire formé d'un second tuyau concentrique au premier dans les dispositifs connus d'échange direct de chaleur. Le risque de colmatage est grand dans ces dispositifs, en particulier dans les chambres extérieures annulaires et dans les raccords de ces chambres.
Le rendement thermique des échangeurs de chaleur à transfert indirect par l'entremise d'un fluide intermédiaire est mauvais et ces échangeurs exigent des appareillages relativement compliqués et coûteux.
L'invention a pour objet un échangeur de chaleur direct entre lesdits mélanges, échangeur dans lequel d'une part le risque de colmatage est évité et d'autre part, les coefficients de transfert de chaleur sont néanmoins bons.
Selon une particularité essentielle de l'échangeur de chaleur selon l'invention, il comprend un bassin qu'au moins une cloison fermée sur elle-même dans le sens circonférentiel subdivise en au moins une chambre primaire et au moins une chambre secondaire entourée par la cloison et par ailleurs des organes actifs de propulsion créent dans chaque chambre une circulation forcée du mélange de liquide et de solides qui favorise le transfert de chaleur.
<EMI ID=1.1>
le les chambres recevant les matières ont de grandes dimensions, évite les sections relativement étroites de circulation dans des tuyaux ou chambres annulaires et élimine les dérivations tubulaires en boucles, le mouvement forcé des mélanges dans les chambres du bassin garantissant par ailleurs de bons coefficients de transfert de chaleur.
Plusieurs cloisons fermées sur elles-mêmes entourent avantageusement au moins deux chambres secondaires disposées en parallèle par rapport à la circulation des matières de manière à garantir le transfert nécessaire de chaleur lors de l'élévation du débit.
L'échangeur de chaleur selon l'invention a par ailleurs l'avantage d'avoir une structure simple, de pouvoir se nettoyer de manière simple et rapidement et
donc de permettre d'éviter les incrustations, en particulier sur les cloisons par lesquelles a lieu le transfert de chaleur, et donc aussi la diminution de ce transferte les cloisons sont de préférence en matériau qui, d'une part, est bon conducteur de la chaleur et, d'autre part, résiste très bien à la corrosion. La circulation forcée entrave au moins par ailleurs les dépôts de solides que le liquide contient.
Les organes qui créent la circulation circulaire dans les chambres du bassin qui sont de préférence symétriques de révolution sont, par exemple, des agitateurs et/ou des pompes. La variation. des durées de fonctionnement de ces organes permet de commander de manière simple les quantités de chaleur transférées d'un mélange à l'autre. Finalement, un avantage complémentaire de l'échangeur de chaleur selon l'invention est qu'il est utilisable aussi bien en régime continu que par charges.
Il peut être avantageux de disposer des agitateurs dans les chambres secondaires de manière excentrée par rapport à leur axe de symétrie et/ou des agitateurs placés dans la chambre primaire de manière que leur axe soit oblique sur la verticale afin d'imposer aux matières une circulation circulaire dans les différentes chambres du bassin.
Les dispositifs à un étage de l'art antérieur permettent d'atteindre en théorie au maximum - à quantités égales - la température mixte entre la matière abandonnant la chaleur et celle qui l'absorbe; il est possible de porter la matière absorbant la chaleur au-delà de cette température en montant au moins deux dispositifs selon l'invention en série et en faisant circuler dans ceux-ci les deux composants à contre-courant.
L'échangeur selon l'invention est utilisable non seulement pour la récupération de chaleur, mais aussi avantageusement pour refroidir au maximum la boue traitée d'une installation de pasteurisation; l'amélioration obtenue du refroidissement diminue de son côté la gêne causée à l'environnement par les mauvaises odeurs.
Selon une autre particularité avantageuse permettant de bien utiliser les surfaces d'échange de chaleur formées par les cloisons - en particulier dans les bassins
à plusieurs chambres secondaires -, lé rapport du volume total des chambres secondaires dans lesquelles la circulation a lieu en parallèle au volume de la chambre primaire est tel que pour des débits prescrits à des valeurs de consigne, les niveaux du liquide soient au moins approximativement les mêmes dans chaque chambre de part et d'autre des cloisons; ce critère s'obtient dans le cas le plus simple avec un volume total des chambres secondaires, dans lesquelles la circulation a lieu en parallèle, qui soit sensiblement égal au volume de la chambre primaire. Il est possible d'amplifier la circulation dans la chambre primaire et donc aussi le transfert de chaleur en présence de plusieurs cham-bres secondaires en montant dans la chambre primaire, pour chacune de ces chambres secondaires, un organe propre de propulsion destiné à créer la circulation forcée.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels :
la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un premier mode de réalisation de l'échangeur de chaleur; la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 3; la figure 3 est une coupe d'un second exemple de réalisation selon la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est une vue en plan d'un troisième exemple de réalisation de l'invention dans lequel plusieurs chambres secondaires sont disposées dans une cuve; <EMI ID=2.1> de la figure 4, mais avec une disposition légèrement diffétente; et
les figures 6 et 7 sont des vues de deux autres modes de réalisation en même vue en plan que sur la figure 4.
Les mêmes éléments portent les mêmes références sur toutes les figures.
Le bassin 1 (figure 1), qui a avantageusement une section cylindrique de révolution, est par exemple en métal recouvert d'une couche d'isolation 2, par exemple de laine minérale ou de verre, de manière à réduire la dissipation de la chaleur à l'environnement.
Le bassin 1 comporte intérieurement, conformément à l'invention, une cloison 3 en matériau bon conducteur de la chaleur, cette cloison divisant ce bassin (figure
1) en une chambre secondaire 4 et une chambre primaire 5. Les deux chambres 4 et 5 ont avantageusement environ la même contenance.
Le bassin 1 et la cloison 3 comportent sur leurs bords supérieurs des brides 6 à 8 sur lesquelles reposent des couvercles 9 et 10 fixés sur ce bassin 1 par des goujons filetés et des écrous non représentés.
Un agitateur 11, 12 , commandé par un moteur 13, 14, est monté sur chaque couvercle 9 et 10 et constitue l'organe qui crée la circulation forcée. L'agitateur 12 est monté dans la chambre secondaire 4 de manière excentrée par rapport à son axe de symétrie afin d'imposer la formation d'une circulation circulaire qui longe la surface interne de la cloison 3, de la manière représentée sur la figure 1. Par ailleurs, l'agitateur 11 peut être disposé dans la chambre primaire 5 en étant incliné sur la verticale afin d'améliorer la création d'une circulation circulaire dans cette chambre. D'autres organes convenables peuvent aussi créer et maintenir la circulation forcée circulaire dont le mouvement est essentiellement horizontal, mais peut aussi être vertical ou peut comprendre des composants dans les deux directions.
Il est bien entendu possible aussi de prévoir plusieurs agitateurs pour chaque chambre 4 et 5. Par ailleurs, l'agitateur de la chambre 5 peut aussi être disposé dans l'enveloppe extérieure du bassin 1.
Chacune des deux chambres 4 et 5 du bassin 1 comprend des raccords 15 et 18 d'arrivée et de départ du mélange abandonnant la chaleur et du mélange absorbant la chaleur, le mélange qui abandonne la chaleur étant de préférence dirigé dans la chambre interne 4 et celui qui absorbe la chaleur étant de préférence dirigé dans la chambre primaire 5 en raison des forces centrifuges produites par la circulation circulaire. La canalisation 16 d'arrivée du mélange se prolonge à l'intérieur de la chambre secondaire
4 afin d'éviter dans cette dernière un court-circuit direct en particulier en exploitation à circuit ouvert, c'est-àdire en continu. Mais d'autres dispositions peuvent être prises pour éliminer la circulation de court-circuits.
Les agitateurs tendant aussi dans certains cas à se colmater, des pompes anti-colmatage de type connu
- dites pompes à roue turbulente - peuvent avantageusement les remplacer. Ces pompes peuvent alors aussi être disposées dans les chambres 4 et 5, par exemple dans les couvercles 9 et 10; il peut cependant aussi être avantageux de ne prévoir qu'une pompe et de conserver l'agitateur 12 dans la chambre secondaire 4. La chambre primaire 5 est alors avantageusement alimentée en matière devant être réchauffée et traitée, c'est-à-dire en la matière qui en général contient des impuretés plus grosses que celles de la matière qui a déjà été traitée.
Les figures 2 et 3 illustrent une disposition de ce type. Une pompe 20 remplace dans la chambre 5 l'agitateur 11 commandé par le moteur 13 pour maintenir la circulation qui accélère le transfert de chaleur; cette pompe est du type anti-colmatage à roue turbulente et elle est avantageusement disposée à l'extérieur de la chambre 5 en raison de la place disponible. Elle est commandée par un moteur
21 disposé dans le couvercle 22 d'une chapelle indépendante
23. La chapelle 23 de la pompe 20 aspirante de type axial; qui est aussi enveloppée par une couche isolante 2, communique avec la chambre primaire 5 par une canalisation d'aspiration 24 qui part de l'enveloppe extérieure du bassin 1. La matière qu'elle refoule retourne dans la chambre 5 par une canalisation 25, qui de son côté débouche tangentiellement à nouveau dans l'enveloppe extérieure du bassin 1, l'ad-mission tangentielle de cette canalisation de refoulement
25 ayant pour effet de provoquer la circulation circulaire voulue dans cette chambre 5.
Le mode de réalisation des figures 4 et 5 comprend dans le bassin 1 plusieurs cloisons 3 refermées sur elles-mêmes et séparant les trois chambres secondaires 4 disposées en série d'une chambre primaire 5 qui entoure ces dernières. Le volume total des chambres 4 et celui de la chambre 5 sont aussi de préférence approximativement égaux.
Les détails de structure - par exemple les agitateurs et les pompes - de l'échangeur de chaleur de la figure 4 correspondent à ceux des figures 2 et 3. Toutefois, ce mode de réalisation est réaménagé par rapport à l'exemple précédent et comprend des raccords 16 et 18 d'arrivée et de départ du mélange abandonnant ou absorbant la chaleur pour chacune des chambres secondaire:
4, la canalisation d'arrivée 16 se prolongeant aussi à l'intérieur de chacune des chambres 4.
Une canalisation commune 30 alimente les canalisations 16 d'arrivée dans les chambres secondaires 4 qui sont ainsi branchées de telle manière que la circulation ait lieu en parallèle dans ces chambres, les canalisations 18 de départ débouchant de manière analogue dans une canalisation collectrice 31. L'alimentation de la chambre primaire 5, de préférence du fluide absorbant la chaleur, est assurée par une canalisation 15; la matière réchauffée quitte le bassin 1 par une canalisation 17 (figure 2).
Une ou plusieurs pompes 20 assurent les circulations circulaires dans les chambres primaires 5, comme déjà spécifié, et il est préférable d'affecter une pompe propre 20 à chaque chambre secondaire 4 afin de maintenir une bonne circulation circulaire dans la chambre primaire
5 qui est relativement étendue.
Toutes les pompes 20 créent dans la chambre primaire 5 les circulations circulaires voulues que des flèches correspondantes indiquent sur la figure 4. Les pompes du type tel que représenté en 20 étant anti-colmatage, il peut aussi être avantageux, dans certains cas déterminés, d'alimenter dans cet exemple -indépendamment du sens du transfert de chaleur - la chambre primaire 5 en la matière devant être traitée et qui en général contient des impuretés plus grosses que la matière déjà traitée.
Le montage alterné, tel que représenté, des pompes 20 dans les cloisons opposées du bassin 1, assure particulièrement bien la circulation circulaire dans la chambre 5 de la disposition selon la figure 4; la circulation principale suit ainsi dans la chambre 5 un trajet essentiellement en frette qui passe autour des chambres secondaires 4 et qui produit cette circulation circulaire.
La bassin 1 du mode de réalisation de la figure 6 a une forme cylindrique de révolution dans laquelle les chambres secondaires 4 sont disposées au sommet d'un triangle équilatéral. Ce mode de réalisation de l'échangeur de chaleur est particulièrement avantageux lorsque l'un
des débits traités est plus grand que l'autre, car la chambre primaire 5 de cette forme a en général nécessairement un
Heat exchanger for liquids loaded with solids
The invention relates to a direct heat exchanger between liquids loaded with solids, in particular between sewage sludge which may contain up to 15% by weight of solids.
The direct exchange of heat between liquids loaded with solids, including in particular also wastewater or sludge containing up to 15% solids - i.e. the exchange of heat without intermediate transfer of a first mixture from liquid and solid to a heat transfer liquid, for example water, then from the latter to the second mixture of liquid and solid - very often raises difficulties.
Indeed, on the one hand, a good heat transmission coefficient requires relatively high circulation speeds, that is to say relatively narrow flow sections and, on the other hand, the risk of clogging of the pipes. large impurities, for example stones, hair, pieces of fabric and paper, rags, threads, rubber and plastic parts and other large pieces, requires very large sections of the circuits.
One of the fluids generally passes through a pipe and the other through an annular channel formed by a second pipe concentric with the first in known devices for direct heat exchange. The risk of clogging is great in these devices, in particular in the annular outer chambers and in the connections of these chambers.
The thermal efficiency of heat exchangers with indirect transfer through an intermediate fluid is poor and these exchangers require relatively complicated and expensive equipment.
The subject of the invention is a direct heat exchanger between said mixtures, an exchanger in which, on the one hand, the risk of clogging is avoided and, on the other hand, the heat transfer coefficients are nevertheless good.
According to an essential feature of the heat exchanger according to the invention, it comprises a basin that at least one partition closed on itself in the circumferential direction subdivides into at least one primary chamber and at least one secondary chamber surrounded by the partition and moreover active propulsion members create in each chamber a forced circulation of the mixture of liquid and solids which promotes heat transfer.
<EMI ID = 1.1>
the chambers receiving the materials have large dimensions, avoid relatively narrow sections of circulation in pipes or annular chambers and eliminate tubular by-passes in loops, the forced movement of the mixtures in the chambers of the basin also guaranteeing good transfer coefficients heat.
Several partitions closed on themselves advantageously surround at least two secondary chambers arranged in parallel with respect to the flow of materials so as to guarantee the necessary transfer of heat when the flow rate is increased.
The heat exchanger according to the invention also has the advantage of having a simple structure, of being able to be cleaned simply and quickly and
therefore to avoid encrustation, in particular on the partitions through which the heat transfer takes place, and therefore also the reduction of this transferte the partitions are preferably made of a material which, on the one hand, is a good conductor of the heat. heat and, on the other hand, is very resistant to corrosion. The forced circulation at least otherwise hinders the deposits of solids that the liquid contains.
The organs which create the circular circulation in the chambers of the basin which are preferably symmetrical in revolution are, for example, agitators and / or pumps. Variation. of the operating times of these components makes it possible to control in a simple manner the quantities of heat transferred from one mixture to another. Finally, an additional advantage of the heat exchanger according to the invention is that it can be used both in continuous mode and in loads.
It may be advantageous to have the stirrers in the secondary chambers eccentrically with respect to their axis of symmetry and / or stirrers placed in the primary chamber so that their axis is oblique on the vertical in order to impose a circulation on the materials. circular in the different chambers of the basin.
The single-stage devices of the prior art make it possible in theory to reach at most - in equal quantities - the mixed temperature between the material giving up heat and that which absorbs it; it is possible to bring the heat-absorbing material above this temperature by mounting at least two devices according to the invention in series and by causing the two components to circulate in them against the current.
The exchanger according to the invention can be used not only for heat recovery, but also advantageously for cooling as much as possible the treated sludge from a pasteurization installation; the improvement obtained in cooling reduces the inconvenience caused to the environment by bad odors.
According to another advantageous feature making it possible to make good use of the heat exchange surfaces formed by the partitions - in particular in basins
with several secondary chambers - the ratio of the total volume of the secondary chambers in which the circulation takes place in parallel to the volume of the primary chamber is such that for flow rates prescribed at set values, the liquid levels are at least approximately the same same in each room on either side of the partitions; this criterion is obtained in the simplest case with a total volume of the secondary chambers, in which the circulation takes place in parallel, which is substantially equal to the volume of the primary chamber. It is possible to amplify the circulation in the primary chamber and therefore also the heat transfer in the presence of several secondary chambers by mounting in the primary chamber, for each of these secondary chambers, an own propulsion member intended to create the forced circulation.
The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting examples and in which:
Figure 1 is a schematic longitudinal section of a first embodiment of the heat exchanger; Figure 2 is a section along the line II-II of Figure 3; FIG. 3 is a section of a second exemplary embodiment along the line III-III of FIG. 2; FIG. 4 is a plan view of a third exemplary embodiment of the invention in which several secondary chambers are arranged in a tank; <EMI ID = 2.1> of Figure 4, but with a slightly different layout; and
Figures 6 and 7 are views of two other embodiments in the same plan view as in Figure 4.
The same elements bear the same references in all the figures.
The basin 1 (figure 1), which advantageously has a cylindrical section of revolution, is for example made of metal covered with an insulating layer 2, for example of mineral wool or of glass, so as to reduce the dissipation of heat to the environment.
The basin 1 comprises internally, in accordance with the invention, a partition 3 made of a material which is a good conductor of heat, this partition dividing this basin (figure
1) in a secondary chamber 4 and a primary chamber 5. The two chambers 4 and 5 advantageously have approximately the same capacity.
The basin 1 and the partition 3 have on their upper edges flanges 6 to 8 on which rest covers 9 and 10 fixed to this basin 1 by threaded studs and nuts, not shown.
An agitator 11, 12, controlled by a motor 13, 14, is mounted on each cover 9 and 10 and constitutes the member which creates the forced circulation. The agitator 12 is mounted in the secondary chamber 4 eccentrically with respect to its axis of symmetry in order to impose the formation of a circular circulation which runs along the internal surface of the partition 3, as shown in FIG. 1 Furthermore, the agitator 11 can be placed in the primary chamber 5 while being inclined on the vertical in order to improve the creation of a circular circulation in this chamber. Other suitable organs can also create and maintain the circular forced circulation, the movement of which is essentially horizontal, but can also be vertical or can include components in both directions.
It is of course also possible to provide several agitators for each chamber 4 and 5. Furthermore, the agitator of the chamber 5 can also be placed in the outer casing of the basin 1.
Each of the two chambers 4 and 5 of the basin 1 comprises inlet and outlet connections 15 and 18 for the heat-releasing mixture and the heat-absorbing mixture, the heat-releasing mixture preferably being directed into the internal chamber 4 and the one which absorbs heat is preferably directed into the primary chamber 5 due to the centrifugal forces produced by the circular circulation. The mixture inlet pipe 16 extends inside the secondary chamber
4 in order to avoid a direct short-circuit in the latter, in particular in open-circuit operation, that is to say continuously. But other measures can be taken to eliminate the circulation of short circuits.
The agitators also tend in certain cases to clog, anti-clogging pumps of known type
- said turbulent wheel pumps - can advantageously replace them. These pumps can then also be placed in the chambers 4 and 5, for example in the covers 9 and 10; however, it may also be advantageous to provide only one pump and to keep the agitator 12 in the secondary chamber 4. The primary chamber 5 is then advantageously supplied with material to be heated and treated, that is to say with material which in general contains larger impurities than material which has already been treated.
Figures 2 and 3 illustrate an arrangement of this type. A pump 20 replaces in the chamber 5 the agitator 11 controlled by the motor 13 to maintain the circulation which accelerates the heat transfer; this pump is of the anti-clogging type with a turbulent wheel and it is advantageously arranged outside the chamber 5 because of the space available. It is controlled by a motor
21 arranged in the cover 22 of an independent chapel
23. The chapel 23 of the suction pump 20 of the axial type; which is also enveloped by an insulating layer 2, communicates with the primary chamber 5 by a suction pipe 24 which leaves from the outer casing of the basin 1. The material which it delivers returns to the chamber 5 via a pipe 25, which for its part emerges tangentially again into the outer envelope of basin 1, the tangential admission of this discharge pipe
25 having the effect of causing the desired circular circulation in this chamber 5.
The embodiment of Figures 4 and 5 comprises in the basin 1 several partitions 3 closed on themselves and separating the three secondary chambers 4 arranged in series from a primary chamber 5 which surrounds the latter. The total volume of the chambers 4 and that of the chamber 5 are also preferably approximately equal.
The structural details - eg agitators and pumps - of the heat exchanger of Figure 4 correspond to those of Figures 2 and 3. However, this embodiment is rearranged from the previous example and includes connections 16 and 18 for the inlet and outlet of the mixture leaving or absorbing heat for each of the secondary chambers:
4, the inlet pipe 16 also extending inside each of the chambers 4.
A common pipe 30 feeds the inlet pipes 16 into the secondary chambers 4 which are thus connected in such a way that the circulation takes place in parallel in these chambers, the outgoing pipes 18 opening in a similar manner into a collecting pipe 31. L the supply of the primary chamber 5, preferably of the heat-absorbing fluid, is provided by a pipe 15; the heated material leaves the basin 1 via a pipe 17 (FIG. 2).
One or more pumps 20 provide circular circulations in the primary chambers 5, as already specified, and it is preferable to assign a specific pump 20 to each secondary chamber 4 in order to maintain good circular circulation in the primary chamber.
5 which is relatively extensive.
All the pumps 20 create in the primary chamber 5 the desired circular circulations which the corresponding arrows indicate in FIG. 4. Pumps of the type as shown by being anti-clogging, it may also be advantageous, in certain specific cases, to d 'supply in this example - regardless of the direction of heat transfer - the primary chamber 5 with the material to be treated and which in general contains larger impurities than the material already treated.
The alternate mounting, as shown, of the pumps 20 in the opposite partitions of the basin 1, ensures particularly well the circular circulation in the chamber 5 of the arrangement according to Figure 4; the main circulation thus follows in the chamber 5 an essentially hoop path which passes around the secondary chambers 4 and which produces this circular circulation.
The basin 1 of the embodiment of FIG. 6 has a cylindrical shape of revolution in which the secondary chambers 4 are arranged at the top of an equilateral triangle. This embodiment of the heat exchanger is particularly advantageous when one
of the flow rates treated is greater than the other, because the primary chamber 5 of this shape generally necessarily has a