BE866080A - Echangeur de chaleur pour liquides charges de solides - Google Patents

Description

  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

Claims (1)

1. plus grand volume que l'ensemble des chambres secondaires 4.

   La figure 7, dont le mode de représentation correspond essentiellement à celui de la figure 4, illustre une disposition très avantageuse des chambres secondaires dans le cas de très grands débits. Plusieurs canalisations d'alimentation et d'évacuation 15 et 17 de la chambre primaire 5, qui ne sont pas spécifiquement représentées, peuvent éventuellement être prévues dans cette disposition.

   Les échangeurs de chaleur représentés à un étage, dans lesquels les composants qui absorbent et qui abandonnent la chaleur prennent part approximativement à mêmes débits à l'échange de chaleur, ne peuvent assurer qu'un réchauffage relativement modéré de l'un des composants, comme mentionné plus haut . Il est possible toutefois d'élever la température de sortie de la matière qui absorbe la chaleur en disposant deux groupes des exemples représentés de réalisation ou davantage à la suite les uns des autres et

   en les branchant de manière que les deux composants les parcourent en série, les deux circulations ayant toutefois lieu

   à contre-courant; aucune installation à plusieurs étages

   de ce type n'est expressément illustrée, car sa structure

   de principe ne diffère pas de celle des échangeurs de chaleur représentés.

   REVENDICATIONS

   1. Echangeur de chaleur direct entre deux liquides chargés de solides, en particulier entre des boues d'épuration pouvant avoir une teneur en solides atteignant

   15% en poids, caractérisé en ce qu'il comprend un bassin (1) qu'au moins une cloison (3) fermée sur elle-même dans le sens circonférentiel subdivise en au moins une chambre pri- maire (5) et au moins une chambre secondaire (4) enveloppée par la cloison et des organes actifs de propulsion (11, 12,

   20) sont destinés à créer dans chaque chambre (4, 5) une circulation forcée du mélange de liquide et de solide qui favorise l'échange de chaleur.

   2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs cloisons (3) fermées sur elles-mêmes enveloppent au moins deux chambres secondaires (4) qui sont branchées en parallèle sur la circulation

   de la matière.

   3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bassin (1)

   et les cloisons (3) ont une forme symétrique de révolution.

   4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun desdits organes de propulsion consiste en au moins un agitateur

   (11, 12) disposé dans chacune des chambres (4, 5).

   5. Echangeur de chaleur selon la revendi�ation 4, caractérisé en ce que les agitateurs (11, 12) sont montés dans des couvercles amovibles (9, 10) du bassin (1).

   6. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'agitateur (12) monté dans

   la chambre primaire (5) est disposé latéralement dans l'enveloppe extérieure du bassin (1) et son axe est oblique sur

   la verticale.

   7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun des organes de propulsion consiste en au moins une pompe (20) montée dans chacune des chambres (4 et 5) .

   8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits organes

   de propulsion destinés à créer la circulation forcée consistent en un agitateur (12) monté dans chacune des chaires secondaires (4) et en au moins une pompe (20) montée dans

   la chambre primaire (5).

   9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pompe (20) affectée à la chambre primaire (5) est disposée à l'extérieur du bassin (1) et raccordée à la chambre primaire (5) par une canalisation d'aspiration (24) et une canalisation de refoulement (25)

   qui traversent l'enveloppe extérieure.

   10. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'uncrgane de propulsion (12; 20) destiné à provoquer la circulation forcée est affecté en propre à la chambre primaire (5) pour chacune des chambres secondaires (4) .

   11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bassin (1) comporte extérieurement une isolation (2).

   12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au <EMI ID=3.1>

   et dans lesquels les fluides participant à l'échange de chaleur circulent à contre-courant.

   13. Echangeur de chaleur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le transfert de chaleur entre les fluides se commande par variation de la durée de fonc-tionnement des organes (11, 12, 20) qui créent la circulation.

   14. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport entre le volume total des chambres secondaires (4), dans lesquelles la circulation a lieu en parallèle, au volume de la

   <EMI ID=4.1>

   approximativement au même niveau de part et d'autre des cloisons (3) lorsque les débits correspondent à une consigne prédéterminée dans chacune des chambres (4, 5).

   15. Echangeur de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le volume total des chambres secondaires (4), dans lesquelles la circulation a lieu en parallèle, est approximativement égal au volume de la chambre primaire (5) .