Procédé d'échange de calories entre un fluide chauffant et un fluide chauffé et échangeur de chaleur pour la mise en aeuvre de ce procédé. On sait que les échangeurs de chaleur sont des appareils destinés à transférer la majo rité des calories contenues dans un premier fluide ou fluide chauffant à un deuxième fluide ou fluide chauffé. Ces fluides circulent en général dans des circuits qui leur sont propres, le ou les circuits du fluide chauffant étant séparés par une ou plusieurs parois étanches du ou des circuits du fluide chauffé.
Tous les échangeurs connus, et plus parti culièrement les échangeurs métalliques, ont leur champ d'action limité par les propriétés des matériaux entrant dans leur construction en ce qui concerne les températures maxima pouvant être développées. Il en est, ainsi, en particulier, quand les calories du fluide chauf fant proviennent d'une combustion, car la température atteinte à la suite de la combus tion d'un mélange parfait de comburant et de combustible est en général supérieure à la température maximum 0 compatible avec la bonne tenue des matériaux, surtout s'il s'agit de métaux.
On a pallié jusqu'ici à cette difficulté en abaissant cette température par certains moyens tels que I Combustion avec excès d'air, procédé le plus courant.
2" Réinjection d'une partie des fumées. 3 Addition de gaz inertes dans les pro duits de la combustion.
S'il est vrai que les méthodes ci-dessus per mettent d'obtenir les limitations voulues de la température, elles n'évitent pas cet autre in convénient que la température des gaz chauf fants va constamment en décroissant à partir du brûleur par suite de la cession des calo ries au fluide chauffé. Il en est évidemment de même de la. température moyenne de la paroi d'échange.
La température maximum O de la paroi d'échange, déterminée d'après les propriétés des matériaux la constituant, n'est donc atteinte qu'en une région très restreinte à l'origine du circuit des gaz chauffants.
En effet, si l'on considère un échangeur du type habituel, schématisé sur la fig. 1 du dessin annexé, un diagramme tracé en por tant en ordonnées les longueurs du circuit des gaz et en abscisses les températures, donne pour le fluide chauffant la paroi d'échange et le fluide chauffé les courbes I, II et III tracées sur la fig. 2.
En un point 3I du par cours, situé à une distance l de l'origine <I>(00' =</I> l), les températures respectives sont représentées par 0'A,<I>0'B, 0'C</I> et l'on peut admettre, en première approximation, que la température de la paroi représentée par<I>0'B</I> est la moyenne arithmétique des températures des fluides chauffant 0<B>U</B> et chauffé 0'C ; c'est-à-dire CB = B < 1. La température maxi mum admissible pour la paroi est<I>CD = 0.</I> Elle n'est atteinte qu'à l'origine du faisceau (à l'entrée du fluide chauffant).
La présente invention a pour objet un procédé d'échange de calories entre un fluide chauffant et un fluide chauffé à travers au moins une paroi d'échange, caractérisé en ce que les calories apportées à haute tempéra ture par le fluide chauffant sont réparties le long de la paroi d'échange de telle manière que la température de ladite paroi soit main tenue sur une certaine longueur à une valeur approximativement constante.
L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre de ce procédé, dans lequel le fluide chauffant transmet la majeure partie au moins de ses calories au fluide chauffé, ces fluides étant séparés par au moins une paroi d'échange. Cet. échangeur est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour répartir les calories appor tées par le fluide chauffant le long de ladite paroi d'échange, sur une certaine longueur au moins de cette paroi.
Selon une forme particulière de mise en oeuvre du procédé spécifié ci-dessus, les calo ries apportées par le fluide chauffant sont. réparties le long de la paroi d'échange, de manière à maintenir celle-ci à une tempéra ture aussi voisine que l'on veut de la valeur maximum qu'elle est capable de supporter sans que le matériau qui la constitue soit altéré.
Cet échangeur nouveau correspond clone au moins approximativement au diagramme représenté sur la fig. 3 du dessin annexé.
Sur la longueur Z' de la paroi d'échange, cette paroi est maintenue à la température sensiblement constante O aussi voisine qu'on le désire de la température maximum que peut supporter cette paroi (avec le coefficient de sécurité voulu). Cette température étant évi demment intermédiaire entre celles du fluide chauffant et du fluide chauffé (de l'ordre de la moyenne arithmétique entre ces deux tem pératures), les courbes I et III des tempéra- turcs de ces deux fluides prennent l'allure représentée et, vont en divergeant sur la hau teur Z', de sorte que l'écart de température entre le fluide chauffant et le fluide chauffé va . en croissant.
On obtient ainsi l'avantage de faire tra vailleur au maximum la paroi d'échange.
On sait, d'autre part, que le coefficient d'échange calorifique est d'autant plus élevé - donc la. surface d'échange plus réduite que l'écart des températures entre le fluide chauffant et le fluide chauffé est lui-.même plus élevé.
Il s'ensuit que le procédé suivant l'inven tion permet d'accroître les coefficients d'échange calorifique. Il en résulte qu'à égalité de rende ment un échangeur mettant en oeuvre ce pro cédé pourra avoir une surface nettement plus faible que les échangeurs connus ou, inverse ment, à égalité de surface, le rendement du premier sera supérieur aux rendements res pectifs des seconds. L'invention permet d'ob tenir que le fluide chauffé sorte à une tempé rature relativement peu inférieure à celle du fluide chauffant dans la zone correspondante à la sortie du fluide chauffé sans que le déve loppement nécessaire des surfaces d'échange soit inadmissible au point de vue du prix de revient.
Parmi les modes de réalisation de tels échangeurs, on peut citer, à titre d'exemples non limitatifs I Ceux faisant application d'une combus tion échelonnée du combustible dans le com burant.
\? Ceux dans lesquels les gaz chauds issus d'une enceinte à haute température sont diri gés en plusieurs points de l'échangeur.
3 Ceux dans lesquels le fluide chauffant entre en un point intermédiaire de l'échan geur de manière à circuler d'abord dans le mêmè sens que le fluide chauffé.
Dans la description qui va suivre et qui se réfère au dessin annexé, on exposera, à titre d'exempfe, des formes d'exécution du procédé et. de l'échangeur, objets de l'inven tion. Les fig. 1, 2 et 3 ont déjà été utilisées dans le préambule de cette description.
La fig. 4 montre schématiquement une réalisation d'un échangeur conforme au para graphe 2 ci-dessus.
La fig. 5 est un diagramme de tempéra ture correspondant à cette réalisation.
La fig. 6 est une coupe schématique d'un distributeur.
La fig. 7 montre, schématiquement, un échangeur à déviation du fluide chauffant selon le paragraphe 3.
La fig. 8 est le diagramme de cet échan geur.
La fig. 9 montre une variante dans la quelle le fluide chauffé est dévié.
Dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 4, la combustion du combustible né cessaire pour la production du fluide chauf fant a lieu au moyen du brîileur 7 dans la chambre de combustion 6. Le comburant et le combustible, dont les débits sont réglés sui vant des procédés connus et d'après l'inten sité de marche désirée, arrivent en 8 et 9. La combustion peut être, à volonté, réglée par faite ou imparfaite.
Il est évidemment préfé rable de la réaliser parfaitement afin d'avoir le minimum de volume de gaz chauffants (réduction des dimensions de l'appareil, meil leur rendement par diminution des pertes à la cheminée) et la température maximum T pour les produits de la combustion. Si le combustible est solide, charbon pulvérisé par exemple, on pourra épurer les gaz de la com bustion à travers un épurateur 10, d'un type connu, capable de retenir les poussières à la température élevée T des gaz sortant de la chambre de combustion.
Ces gaz sont ensuite distribués par des organes Dl,<I>D2,</I> D"... Dpl, en divers points successifs 1, 2...<I>n... pl, p,</I> du circuit du fluide chauffant, de telle sorte qu'en chacun de ces points, la température de la paroi d'échange soit remontée à la va leur 0. Les gaz sont répartis aux points d'in jection dans l'ordre de priorité 1, 2... n... p.
Le fluide chauffé entrant. en 11 parcourt le faisceau d'échange 12 en s'échauffant et sort en 13. Les gaz chauffants circulent à l'extérieur du faisceau 12 et perpendiculaire ment à celui-ci grâce à des chicanes judicieuse ment disposées 14, 15, 16, etc.
La quantité des gaz .de combustion entrant en 1, réglée par le distributeur Dl, est mélangée à une certaine quantité de fluide suffisamment froid (air extérieur, fumées prélevées en un point du parcours du fluide chauffant, gaz inertes, etc.) arrivant en 20, mise au niveau de pression voulu par -Lui exhausteur 19 et réglée par une vanne 18, .de telle sorte que le premier élément 1' du faisceau d'échange, rencontré par ce mélange, à la température Tl, de gaz de combustion et de fluide addi tionnel, soit porté à la température O (voir fig. 5), intermédiaire entre celle Tl du fluide chauffant et celle t1 du fluide chauffé, 0 étant, on l'a dit précédemment, la tempéra ture maximum que peut supporter,
avec la. marge de sécurité convenable, le matériau constituant la paroi d'échange. Le réglage de la vanne 18 est assuré par l'un des procédés connus, afin de maintenir la température du point 1' du faisceau à la valeur 0. La vanne 18 peut être, par exemple, contrôlée par un thermostat en contact avec la paroi d'échange en 1', ce thermostat ouvrant la vanne 18 quand la température en l' tend à dépasser 0 et la fermant dans le cas contraire, l'impor tance de la quantité des gaz chauffants, pro venant de la chambre de combustion 6 et di rigés sur le point 1 du circuit pourrait, varier d'une très petite fraction à la totalité des gaz. Il est évident que dans la première hypothèse la faible quantité admise en 7 ne nécessiterait.
qu'une addition excessivement réduite en 17 de fluide froid, que les points d'injection 1 à p seraient très nombreux, que la. chute de température de la faible quantité de fluide chauffant évoluant entre deux points d'injec tion successifs tels que 1 et 2 serait très ra pide par suite de sa faible masse calorifique et que l'échange de calories cesserait pratique ment après un faible parcours du fluide chauffant, entre les points 1 et 2. La zone des points d'injection 1, 2... p devrait alors être très étendue, le nombre de chicanes telles que 14, 15... très grand, la perte de charge serait très élevée et la construction onéreuse.
La deuxième hypothèse (totalité des gaz de combustion admise en 1) correspondrait à certains types d'échangeurs connus dans les quels la température de gaz de combustion est ramenée à la valeur convenable par addi tion d'air en excès, ou de fumées, ou de gaz inertes. La. zone du faisceau d'échange à. tem pérature constante 0- se réduirait alors uni quement à la zone d'entrée du fluide chauf fant dans le faisceau d'échange, et il en résul terait tous les inconvénients déjà signalés ci- dessus.
Pour un appareil de caractéristiques dé terminées, il sera facile de déterminer la lon gueur optimum de la zone à température constante (9 de la paroi d'échange et l'impor tance de la quantité de gaz de combustion à admettre en 1 pour obtenir le meilleur prix de revient de l'opération d'échange calori fique, ce prix de revient tenant compte prin cipalement des prix du combustible et de la force motrice ainsi que des frais d'amortisse ment.
La température du fluide chauffant en évoluant de 1 vers 2 s'abaisse de T1 à TO ; parallèlement au refroidissement du fluide chauffant, la température du faisceau baisse de O au point 1 à O 2 en 1" en amont. du deuxième point d'injection 2. La quantité de gaz de combustion injectée en ce point 2 est dosée par le distributeur D. afin que la tem pérature de la paroi d'échange soit, à. nouveau portée à la valeur O au point 2'. Le réglage du distributeur DZ est commandé par un servomoteur d'un type connu placé sous la dépendance d'un appareil, d'un type égale ment connu (un thermostat, par exemple) chargé de contrôler et de maintenir la tempé rature du point 2' du faisceau à la valeur 0.
Il en est de même aux divers points d'injec tion 3, 4, 5, etc. jusqu'à achèvement. de la dis tribution de la totalité des gaz de combustion qui, pour une charge donnée de l'échangeur, se fait au point n. Les points suivants n + 1., n+2... p ne recevront. aucune injection et, dans cette partie et le reste de l'échangeur, les échanges de chaleur se feront suivant le processus habituel connu.
La fig. 6 représente, schématiquement et uniquement à, titre d'exemple, l'un des distri buteurs. Il comporte un tiroir a. contrôlant; dans son déplacement longitudinal, la commu nication entre la conduite b venant du distri buteur précédent., la conduite c aboutissant à l'échangeur au point d'injection qui corres pond au distributeur considéré et la conduite d allant au distributeur suivant, de telle sorte qu'à une diminution de la section de passage dans c correspond une augmentation de la section de passage dans d et inversement.
Le dessin montre le tiroir a dans une posi tion telle qu'une petite fraction des gaz chauds arrivant. par b est admise dans l'échan geur au niveau du distributeur considéré, tan dis que la phis grande partie de ces gaz va vers le distributeur suivant. De la sorte, ce distributeur reçoit le gaz qui n'a pas été en voyé aux points d'injection par les distribu teurs précédents et le répartit. entre son propre point d'admission et les distribu- teurs suivants, selon les oscillations de la tem pérature de la. paroi d'échange au niveau du point d'admission qu'il contrôle.
A titre de schéma, on a représenté le tiroir a commandé par un piston e à double effet recevant de l'huile sous pression d'un répar titeur auxiliaire f, dont le tiroir mobile est contrôlé par un thermostat g mesurant. la tem pérature de la paroi d'échange au niveau de l'admission de gaz par la conduite c.
Naturellement, la forme du distributeur donnée sur la fig. 6 n'est qu'un schéma.
Les distributeurs seront réalisés d'après des types connus résistant aux hautes tempé ratures (registres en matériaux réfractaires, vannes à circulation d'eau, etc.). Ils peuvent se composer d'un seul corps, comme sur la fig. 6, ou être formés de deux corps séparés placés l'un sur l'admission au point n, l'autre sur l'admission au distributeur DI, + 1, ces deux corps étant reliés entre eux afin que toute ouverture de l'un soit compensée par une fermeture égale de l'autre. Si la charge de l'échangeur doit varier dans des limites assez étendues, seuls quelques points d'injection, comptés à partir de l'ori gine, seront en activités aux faibles charges.
On a intérêt, à ces charges réduites, à dimi nuer l'importance de la quantité de gaz de combustion admise en Dl pour étendre la zone à température sensiblement constante de faisceau d'échange. Le rendement de l'échan geur est amélioré et la température maximum qu'il est possible d'atteindre pour le fluide chauffé est également augmentée. Dans ce cas, la quantité de fluide froid admise en 17 doit. être diminuée et le réglage précédemment dé crit de la vanne 18 donne ce résultat.
Il est facile d'obtenir automatiquement., pour chaque valeur de la charge, ce réglage à rendement maximum du distributeur Dl, il suffit pour cela que ce distributeur Dl soit. commandé par un servomoteur recevant son impulsion d'un appareil contrôlant l'activité de la distribution au dernier point p. Cet appareil peut être par exemple le distributeur Dpl ou mieux un appareil de contrôle de la température T'p au point p' de la paroi d'échange.
Lorsque T'p < O, le servomoteur commandant Dl recevra une impulsion dans le sens correspondant à une diminution de la quantité de gaz de combustion envoyée sur le point 1; inversement, lorsque T' p > 0, il se produira un mouvement de sens contraire. Pour éviter que la température du faisceau soit portée en<I>p'</I> à une valeur<I>T' ></I> 0 pen dant le fonctionnement de la régulation, on pourra avantageusement régler l'appareil de contrôle installé en p' à une valeur Op < O, afin que T'p soit toujours 0.
A noter que ce dispositif de réglage auto matique de Dl peut avantageusement être prévu sur tous les échangeurs, y compris ceux subissant des variations de charge assez res treintes.
On pourra également refroidir les gaz de combustion de T à Tl avant leur admission en 1 en les faisant passer dans un petit échan geur préliminaire parcouru par une fraction du fluide à chauffer. On évitera ainsi l'addi tion de fluide extérieur: fumée, air, etc. Dans un mode de réalisation de l'échan geur, qui n'est pas représenté séparément mais qui pourrait, par exemple, être analogue à. celui représenté schématiquement à la fig. 4, on obtient la répartition des calories le long de la paroi d'échange à l'aide de combustions fractionnées réglables.
La totalité du combu rant est introduite au point l' de la fig. 4 et du combustible liquide ou gazeux est réparti en Dl,<I>D2...</I> Dn entre des brûleurs disposés dans .des foyers 1, 2... n@ Le fluide chauffant circule entre les chicanes et il est réchauffé par des combustions successives jusqu'à épuise ment de l'oxygène libre dans le foyer n. On pourrait également introduire du gaz combus tible en l' et assurer des combustions partielles successives de ce gaz dans les divers foyers en introduisant dans ceux-ci, aux points 1, 2... 7z, des quantités partielles de comburant.
La variante de réalisation représentée fig. 7 concerne les échangeurs fonctionnant à régime constant. Le diagramme des températures (forme théorique) est représenté fig.8. Les gaz de combustion à la température T entrent en 26, dans une première partie de l'échan geur, circulent dans le même sens que le fluide chauffé suivant 27, 28, passent ensuite de 28 à 29 pour entrer dans la deuxième par tie de l'échangeur où ils cheminent suivant 29, 30, 31 en sens contraire du fluide chauffé. Celui-ci entre en 32, circule en 33, 34, 35 et. ressort en 36.
Ce même procédé de construction reste applicable aux échangeurs à charges variables, mais leur rendement est alors évidemment moins élevé.
Dans la variante de la fig. 7, représentée sur la fig. 9, la déviation de trajet donnant la constante approximative de la température sur une certaine longueur de la paroi d'échange est opérée sur le fluide chauffé au lieu de l'être sur le fluide chauffant.
Le fluide chauffé pénètre en 40, parcourt le premier faisceau d'échange 41 en contre- courant avec le fluide chauffant s'échappant en 42, est repris par le tuyau 43 et renvoyé dans le deuxième faisceau d'échange 44 qu'il parcourt dans le même sens que le fluide chauffant à haute température entrant. en 45 dans l'appareil, pour sortir finalement en 46.
Dans cette variante, le diagramme de la fig. 8 doit être lu en suivant le sens découle ; ment du fluide chauffé le long du faisceau d'échange.
Dans les modes de réalisation des fig. 7 et 9, on pourrait prévoir une ou plusieurs admis sions supplémentaires de fluide chauffant dans la partie de l'échangeur où les écoule ments se font dans le même sens afin d'amé liorer, s'il y a lieu, la constance de la. tempé rature de la paroi d'échange.
Il v a d'ailleurs de soi que de nombreuses modifications pourraient être apportées aux modes de réalisation qui ont été décrits, sans que l'on sorte pour cela du .cadre de l'in vention. Au lieu d'avoir un seul corps d'échan geur, on pourrait. avoir plusieurs corps. La forme du faisceau d'échange dépendra. des conditions de réalisation: tubes, parois, ete.
On peut augmenter le coefficient d'échange calorifique en faisant circuler les fluides chauffant et chauffé, ou l'un d'eux seulement, sous pression. La mise en pression pourra être assurée, par exemple, au moyen d'un com presseur rotatif entraîné par une turbine à. gaz empruntant l'énergie aux calories et à la pression résiduelles du fluide chauffant sor tant de l'échangeur, ce fluide pouvant d'ail leurs être réchauffé s'il y a lieu avant. son admission dans la turbine à gaz.
Il convient de noter qu'au moins dans la partie de l'échangeur où la paroi d'échange est maintenue sensiblement constante, la che mise métallique extérieure de l'échangeur sera, de préférence, munie d'un garnissage interne en matériaux réfractaires pour la protéger contre l'action des gaz à haute température.
Les applications des échangeurs décrits sont multiples. De tels échangeurs, en métal, peuvent en particulier remplacer les réchaLif- feurs de vent ou cowpers qui sont, actuelle ment utilisés dans les installations de hauts- fourneaux et qui sont généralement construits en briques.
Dans ce cas, le fluide chauffant pourra provenir de la combustion de gaz de hauts-fourneaux. Comme on l'a dit. précédemment, l'inven tion s'applique tout particulièrement aux échangeurs de température dans lesquels la température de la paroi d'échange est main tenue à une valeur aussi voisine que l'on veut de la température maximum, compte tenu de la marge de sécurité jugée nécessaire que peut supporter le matériau de la paroi d'échange.