La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur comprenant une masse de particules solides, un support supportant un lit de ces particules et agencé pour permettre le passage d'un gaz fluidisant ce lit de particules, ainsi qu'une paroi thermiquement conductrice en contact d'un côté avec les particules solides et de l'autre côté avec un autre fluide.
Un échangeur de chaleur du type précité peut être agencé pour transmettre de la chaleur entre le gaz et le second fluide (qui peut être liquide ou gazeux), auquel cas la chaleur est transmise par l'intermédiaire des particules et de la paroi thermiquement conductrice. En variante, I'échangeur de chaleur peut être agencé de manière à transmettre de la chaleur entre les particules solides et le second fluide, auquel cas on recycle normalement le gaz au travers du lit afin de le fluidiser et on fait passer les particules au travers du lit depuis une entrée jusqu'à une sortie.
Dans une forme connue d'échangeur de chaleur du type précité, la paroi thermiquement conductrice comprend un faisceau de tubes métalliques cylindriques qui s'étendent horizontalement au travers du lit. Par le terme faisceau , on entend un groupe de tubes qui sont espacés les uns des autres verticalement et horizontalement de façon que le faisceau comprenne plusieurs couches de tubes situées l'une au-dessus de l'autre et contenant chacune plusieurs tubes placés côte à côte.
Pour réduire le prix de revient d'un échangeur de chaleur nécessaire pour une application particulière à une valeur aussi basse que possible, il est souhaitable de diminuer les dimensions de l'appareil tout en conservant la capacité nécessaire de transmission de chaleur. Dans les échangeurs de chaleur classiques, c'està-dire des échangeurs dans lesquels le fluide gazeux passe sur des tubes parcourus par l'autre fluide, c'est-à-dire dans lesquels il n'existe pas de lit fluidisé de particules, on peut réduire les dimensions hors-tout de l'appareil en utilisant des tubes de surface accrue, par exemple à l'aide d'ailettes ou de saillies similaires.
Cependant, I'utilisation de tubes de surface accrue augmente généralement la perte de charge dans le fluide gazeux traversant l'échangeur de chaleur.
On a réalisé un échangeur de chaleur du type précité dans lequel la structure à paroi thermiquement conductrice se présente sous forme d'un faisceau de tubes ailetés et on a obtenu une certaine amélioration de la capacité de transmission de chaleur par comparaison à un faisceau de tubes non ailetés et de dimensions similaires
On a découvert que la capacité de transmission de chaleur peut encore être améliorée en modifiant l'agencement des tubes et du lit fluidisé.
L'échangeur de chaleur suivant l'invention est caractérisé en ce que la paroi se présente sous la forme d'au moins un tube de surface accrue et en ce que la profondeur du lit non fluidisé n'est pas supérieure à 150 mm.
Par l'expression profondeur de lit , on entend la distance séparant une interface entre le lit de particules et le support de lit et une surface du lit opposée à cette interface.
Un lit relativement peu profond permet, par comparaison avec des lits prévus dans des échangeurs de chaleur connus du type précité, I'établissement d'un taux de transmission de chaleur par unité de surface de tube considérablement supérieur à ce qu'on obtient dans des conditions similaires avec un lit relativement profond.
On n'a pas compris parfaitement les raisons de cet état de choses du fait qu'il se produit une très faible variation de température entre différentes parties du lit lorsqu'on utilise un échangeur de chaleur de type connu comportant un lit profond et du fait que par conséquent tous les tubes du faisceau sont soumis sensiblement à la même température externe. On estime que la faible pression différentielle existant entre la partie supérieure et la partie inférieure du lit relativement peu profond constitue un facteur important puisque les petites bulles de fluide gazeux existant à la base du lit n'atteignent pas une aussi grande dimension dans le lit relativement peu profond que dans un lit plus profond.
Dans un lit profond coopérant avec des tubes ailetés, les bulles peuvent atteindre une dimension telle qu'elles couvrent complètement un intervalle existant entre des ailettes adjacentes, ce qui réduit le degré de contact entre les ailettes et les particules du lit.
De préférence, on choisit la profondeur et la composition du lit par rapport à l'espacement des ailettes et aux dimensions des orifices par lesquels le fluide gazeux pénètre dans le lit de manière que la différence de pression entre la partie supérieure et la partie inférieure du lit soit insuffisante pour permettre un grossissement des bulles de fluide gazeux à une dimension leur permettant de couvrir les intervalles entre ailettes adjacentes.
On estime qu'on peut utiliser des profondeurs de lit atteignant jusqu'à 150 mm pour des espacements appropriés d'ailettes sans qu'il se produise entre la partie supérieure et la partie inférieure du lit une différence de pression faisant en sorte que des bulles de fluide gazeux empêchent un contact entre les particules du lit et les tubes. Cependant, avec un espacement d'ailettes de 3 mm, il est avantageux d'utiliser une profondeur de lit de 100 mm ou moins.
On peut employer avantageusement un seul tube aileté ou une seule couche de tubes ailetés comme paroi thermiquement conductrice puisque la profondeur du lit peut être de l'ordre de 50 mm ou moins.
Dans une construction particulièrement avantageuse, les ailettes (ou bien dans le cas où il est prévu plus d'une couche de tubes à ailettes séparées, les ailettes de la couche inférieure de tubes) sont pourvues de nervures qui délimitent des orifices d'entrée par lesquels le gaz peut pénétrer dans le lit, ces orifices étant cependant dimensionnés de manière que les particules du lit ne puissent pas les traverser et étant placées à la partie inférieure du lit.
Cet agencement présente plusieurs avantages. Les nervures forment collectivement un support de lit qui est refroidi par des ailettes des tubes et des gaz à très haute température peuvent passer en toute sécurité par les orifices d'entrée sans surchauffer et déformer les nervures. L'ensemble formé par les tubes, les ailettes et le support de lit peut être fabriqué à l'aide de pièces estampées constituées d'une matière de haute conductivité appropriée et montées sur les tubes, une telle structure étant d'une fabrication relativement simple et peu coûteuse. Un autre avantage consiste dans l'élimination d'un espace entre les bords inférieurs des ailettes et le support de lit, de sorte qu'on empêche une migration latérale des particules depuis un espace vertical situé entre des paires d'ailettes adjacentes et un espace vertical contigu entourant les bords inférieurs d'une ailette.
Cela facilite le maintien de températures différentes dans des parties différentes du lit, comme cela sera précisé dans la suite.
On a proposé auparavant d'utiliser un échangeur de chaleur du type précité dans un générateur de vapeur où le fluide gazeux se compose d'un mélange de combustible et d'air, ou bien des produits de combustion de ce mélange, ces gaz chauds traversant successivement trois lits fluidisés qui contiennent des groupes respectifs de tubes d'échange de chaleur. De l'eau est chauffée dans les tubes du troisième lit, puis elle passe dans les tubes relativement plus chauds du second lit où se produit une évaporation de l'eau, la vapeur ainsi formée étant surchauffée dans les tubes du premier lit qui est le plus chaud.
Dans un tel générateur de vapeur, le taux de transmission de chaleur dépend en partie de la différence de température entre le fluide gazeux s'écoulant à l'extérieur des tubes et l'autre fluide s'écoulant à l'intérieur. Du point de vue de l'efficacité de marche, cette différence de température doit être approximativement la même pour tous les tubes et pour toutes les parties de chaque tube. Dans le second lit, ce résultat est facilement obtenu puisque les tubes contiennent de l'eau et de la vapeur en équilibre et que la température régnant dans les différents tubes du second lit est par conséquent sensiblement uniforme, la répartition de température dans un lit fluidisé relativement profond ayant tendance à être uniforme, comme indiqué ci-dessus.
Cependant, la température de la vapeur se trouvant dans les tubes du premier lit diffère d'une extrémité de chaque tube à l'autre et il est souhaitable de soumettre l'extérieur de ces tubes à des températures qui varient sur la longueur des tubes afin de maintenir la baisse de température nécessaire au travers des parois d'un tube sur la longueur de ce dernier. De même, il est souhaitable de soumettre les tubes du troisième lit à des températures externes qui varient sur la longueur des tubes en concordance avec la variation de la température de l'eau dans les tubes.
Dans une forme avantageuse de l'invention, le tube est situé dans le lit et comporte des ailettes dont l'espacement mutuel varie d'une partie du lit à une autre. On peut aussi prévoir plusieurs tubes placés dans le lit et dont l'espacement mutuel varie d'une partie du lit à une autre.
On peut avantageusement utiliser une telle disposition dans un générateur de vapeur pour surchauffer la vapeur produite dans un autre échangeur de chaleur. La partie du lit dans laquelle les tubes ou ailettes sont plus espacés les uns des autres est automatiquement maintenue à une température supérieure à la partie du lit dans laquelle les tubes ou ailettes sont plus rapprochés les uns des autres, une telle différence de température pouvant être établie dans un lit peu profond, alors que, dans un lit de particules relativement plus profond, un mélange des particules provenant des diverses parties du lit empêche l'établissement de la différence de température précitée.
Les tubes sont branchés de manière que de la vapeur passe en premier dans les tubes relativement rapprochés les uns des autres ou bien dans les parties des tubes où les ailettes sont plus rapprochées les unes des autres.
De préférence, les tubes sont placés dans une seule couche dans le lit. On estime que les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant une profondeur de lit non supérieure à 75 mm, une valeur d'environ 50 mm étant préférée.
Une autre application avantageuse d'un échangeur de chaleur suivant l'invention concerne des moteurs à turbine à gaz ou d'autres moteurs à combustion interne.
Il est souhaitable de récupérer l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, notamment des turbines à gaz. en premier lieu, puisqu'il est ainsi possible d'augmenter le rendement global du moteur et. en second lieu, du fait que, dans de nombreuses applications, on ne peut pas tolérer l'émission de gaz d'échappement à haute température. Il est en outre souhaitable qu'un échangeur de chaleur utilisé pour récupérer la chaleur contenue dans les gaz d'échappement d'un moteur, notamment un moteur à turbine à gaz, oppose une faible résistance à l'écoulement des gaz d'échappement le traversant.
Jusqu'à maintenant, cette condition a empêché d'utiliser des échangeurs de chaleur de types connus comportant un lit de particules fluidisées pour récupérer la chaleur des gaz d'échappement d'une turbine à gaz puisque la baisse de pression à laquelle les gaz sont soumis en traversant l'échangeur atteint une valeur excessivement élevée.
Un avantage d'un lit fluidisé relativement peu profond consiste en ce que la perte de charge à laquelle un fluide gazeux traversant le lit est soumis, est relativement petite. On peut par conséquent envisager d'appliquer l'invention à la récupération de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou d'un autre moteur à combustion interne.
Il se pose un problème avec un échangeur du type précité, à savoir qu'on doit limiter le débit du fluide gazeux à une valeur inférieure à celle qui est suffisante pour permettre au fluide gazeux d'évacuer les particules complètement hors du lit ou hors d'une chambre dans laquelle le lit est placé. Dans des échangeurs de chaleur connus du type précité, la vitesse à laquelle le fluide gazeux traverse le lit est généralement comprise entre 0,3 et 1,2 m/s.
Ce problème est particulièrement délicat dans des cas où on utilise un échangeur de chaleur du type précité comme dispositif de refroidissement d'air où l'air ambiant passe au travers du lit de particules afin d'absorber la chaleur provenant d'un fluide contenu dans la structure à paroi thermiquement conductrice, ce dernier fluide se trouvant à une température seulement modérément supérieure, par exemple de 50 C, à la température de l'air ambiant. Dans de telles circonstances, on doit faire passer une grande quantité d'air dans l'échangeur de chaleur et, puisque la vitesse de l'air à l'intérieur du lit doit être limitée comme indiqué précédemment, les dimensions hors-tout de l'échangeur de chaleur doivent nécessairement être grandes lorsqu'on utilise un échangeur de forme connue.
On cherche donc à créer un échangeur de chaleur précité qui puisse fonctionner de façon satisfaisante par passage du fluide gazeux au travers du lit à une vitesse supérieure à ce qu'on adopte en pratique dans des échangeurs connus.
Par conséquent, le lit d'un échangeur de chaleur du type précité peut être disposé, au moins pendant la marche de l'échangeur, sur la face intérieure d'un tambour perforé tournant et il est prévu des moyens pour faire entrer le gaz dans le tambour sur sa périphérie et lui faire traverser le lit radialement vers l'intérieur.
Lorsque le tambour tourne et supporte le lit sur sa surface dirigée vers l'intérieur, la force centrifuge à laquelle les particules sont soumises s'oppose à un mouvement des particules dans une direction orientée radialement vers l'intérieur sous l'action du fluide gazeux traversant le lit. En conséquence, on peut assurer un écoulement du fluide gazeux au travers du lit à des vitesses de l'ordre de 3 ou même 6 m/s, à condition que le tambour soit entraîné en rotation à une vitesse suffisamment élevée pour empêcher les particules d'être entraînées hors du lit par le fluide gazeux. Cela permet le passage d'un grand volume d'air dans un temps donné au travers d'un échangeur de chaleur de dimensions relativement petites.
On peut utiliser dans ce cas des particules bien plus petites que les particules les plus fines d'une matière similaire qui pourraient être utilisées dans un lit de gravitation au travers duquel on fait passer un fluide gazeux à une vitesse similaire. Avec des particules plus petites, il est possible d'obtenir des coefficients de transmission de chaleur plus élevés que dans le cas où on utilise de plus grosses particules dans des conditions comparables. Généralement cette forme d'exécution de l'invention permet d'augmenter le débit et d'utiliser des particules plus petites par comparaison avec un lit de gravitation.
D'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes données à titre d'exemple.
La fig. I est une vue en plan d'une forme d'échangeur de chaleur à gravitation suivant l'invention.
La fig. 2 est une section droite faite sur la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe fragmentaire, similaire à la fig. 2 et à échelle agrandie, montrant une variante de l'échangeur de chaleur des fig. I et 2.
La fig. 4 est une coupe diamétrale d'un autre échangeur de chaleur dans lequel un lit de particules est supporté sur la face dirigée vers l'intérieur d'un tambour tournant.
La fig. 5 est une vue fragmentaire à échelle agrandie par rapport à la fig. 4, montrant de façon plus détaillée la structure du tambour, et
la fig. 6 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur dans lequel le lit de particules est supporté sur la face dirigée vers l'intérieur d'un tambour tournant.
L'échangeur de chaleur représenté sur les fig. I et 2 comporte une chambre supérieure 10 qui est entourée par une paroi latérale 11 et qui a une forme rectangulaire en vue en plan. Dans la chambre supérieure 10, il est prévu un lit 12 de particules qui peuvent être formées d'une matière réfractaire, comme par exemple du sable. Le lit est supporté-sur un plateau distributeur 13 qui sépare la chambre supérieure d'une chambre inférieure 14 et qui obture le fond de la chambre supérieure pour empêcher le passage des particules du lit. Le plateau distributeur 13 est agencé pour introduire du gaz dans le lit 12 et pour le répartir sur toute l'étendue de ce dernier.
Dans l'échangeur de chaleur représenté sur les fig. 1 et 2, le plateau distributeur 13 est formé par une tôle d'acier pourvue de perforations dont les dimensions sont telles que les particules du lit 12 ne peuvent pas les traverser. On peut utiliser d'autres formes de plateau distributeur, par exemple un plateau en matière céramique poreuse ou bien un plateau en particules métalliques frittées.
La chambre inférieure I4 présente une conicité dirigée vers le bas depuis le plateau distributeur 13 jusqu'à un orifice central d'entrée de gaz 15. Des déflecteurs ou chicanes peuvent être prévus dans la chambre inférieure pour faire en sorte que l'écoulement gazeux soit réparti uniformément sur toutes les parties du plateau 13. Si nécessaire, on peut pourvoir la chambre inférieure d'un plancher qui est incliné jusqu'à un point à partir duquel un tube rétréci de dérivation conduit jusqu'à la chambre supérieure 10.
Des particules tombant du lit 12 au travers du plateau de distribution lorsque l'échangeur de chaleur n'est pas en service sont entraînées par l'intermédiaire du tube de dérivation jusque dans la chambre supérieure lorsque l'échangeur est mis en marche et lorsqu'on fait passer du gaz dans la chambre inférieure par l'intermédiaire de l'entrée correspondante. On pourrait prévoir des moyens pour obturer le tube de dérivation au bout d'un bref intervalle pendant lequel toutes les particules collectées dans la chambre inférieure ont été renvoyées dans la chambre supérieure.
L'échangeur de chaleur comprend en outre plusieurs tubes ailetés 16 qui sont immergés dans le lit 12. Dans l'exemple particulier représenté sur les fig. 1 et 2, il est prévu deux couches de tubes, désignées respectivement par 16a et 16b. Les tubes de la couche supérieure sont placés au-dessus des intervalles existant entre les tubes de la couche inférieure. Les tubes sont pourvus d'ailettes communes 17, chaque ailette ayant une forme rectangulaire et étant pourvue d'un nombre d'orifices correspondant au nombre de tubes, afin que chaque tube passe dans un orifice ménagé dans chaque ailette. Les tubes 16 et les ailettes 17 sont formés d'un matériau thermiquement conducteur, comme par exemple du cuivre ou de l'aluminium. Les tubes sont disposés de façon à être en bon contact thermique avec les ailettes. Chaque tube peut être emmanché dans l'orifice correspondant de chaque ailette.
En variante, on peut fixer les ailettes sur les tubes par brasage ou par un autre moyen.
Les tubulures d'entrée et de sortie 18 et 19 communiquent respectivement avec les tubes 16 et elles s'étendent à partir des tubes vers le haut au travers de la partie supérieure de la chambre 10.
Dans l'échangeur de chaleur représenté sur la fig. 1, les tubes 16 ont un diamètre d'environ 6 mm et chaque ailette 17 a une longueur d'environ 125 mm et une profondeur d'environ 50 mm. En particulier, les ailettes peuvent être espacées de 3 mm l'une de l'autre. La chambre supérieure 10 peut avoir une longueur d'environ 235 mm et une largeur d'environ 150 mm. La profondeur du lit 12 est de 75 mm. Il est à noter que les bords inférieurs des ailettes 17 sont espacés légèrement de la face supérieure du plateau distributeur 13. Il est également à noter que les bords supérieurs des ailettes sont espacés légèrement en dessous de la surface supérieure du lit. On remarque également que l'espacement entre la couche supérieure de tubes 16a et la couche inférieure de tubes-l6b est inférieur à l'espacement moyen des tubes situés dans l'une ou l'autre desdites couches.
En conséquence, la partie ailetée d'un tube à partir de laquelle il reçoit le plus de chaleur est située latéralement et non pas au-dessus ou en dessous du tube. Cette disposition permet d'obtenir un meilleur coefficient de transmission de chaleur lorsque le gaz de fluidisation s'écoule vers le haut. On choisit l'épaisseur des ailettes 17 en concordance avec le taux de transmission de chaleur nécessaire à l'intérieur des ailettes, ces ailettes pouvant avoir en particulier une épaisseur de 2 mm. Les ailettes peuvent être plus épaisses dans une zone adjacente aux tubes et plus minces dans des positions éloignées des tubes.
L'échangeur de chaleur représenté sur les fig. 1 et 2 peut être utilisé pour récupérer de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Une proportion considérable de la chaleur engendrée par combustion du carburant dans un tel moteur est évacuée de ce dernier par les gaz d'échappement. Il est souhaitable de récupérer au moins une fraction de cette énergie thermique pour améliorer le rendement global du moteur. En outre, dans certains cas, on ne peut pas tolérer l'émission de gaz d'échappement à haute température et ce problème est particulièrement important dans des turbines à gaz où il est fréquemment nécessaire d'extraire de la chaleur des gaz d'échappementsimplement pour éviter l'émission de gaz très chauds.
Il est en outre souhaitable qu'un échangeur de chaleur employé pour récupérer de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou autre offre une faible résistance à l'écoulement des gaz d'échappement le traversant.
Le lit peu profond de l'échangeur de chaleur représenté sur les fig. 1 et 2 offre une résistance relativement faible à l'écoulement de gaz le traversant et, si les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne passent dans l'échangeur de chaleur, ils ne sont soumis qu'à une faible perte de charge. Les gaz d'échappement sont canalisés à partir du moteur par l'intermédiaire d'un conduit jusqu'à l'entrée de gaz 15 et ils sont canalisés par un autre conduit (non représenté) depuis l'extrémité supérieure de la chambre 10 jusque dans l'atmosphère. On fait passer de l'eau ou un autre réfrigérant approprié dans les tubes 16, ce qui provoque leur échauffement.
L'échangeur de chaleur peut être utilisé pour transmettre de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement à l'eau s'écoulant à l'intérieur des tubes 16 jusqu'à ce que l'eau se mette à bouillir, la vapeur ainsi produite étant utilisée pour entraîner un générateur électrique. Lorsqu'il est nécessaire d'extraire la chaleur contenue dans les gaz d'échappement sans les diluer et lorsqu'on n'a pas à convertir cette chaleur en une forme d'énergie utilisable, on peut faire passer l'eau chauffée dans les tubes 16 dans un échangeur de chaleur refroidi par air afin que la chaleur soit finalement déversée à l'atmosphère.
Un autre avantage résultant du passage des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dans le lit d'un échangeur de chaleur tel que celui des fig. 1 et 2 est qu'on réduit considérablement l'émission de bruit par le moteur. Un autre avantage est que le lit contribue à réduire la pollution en emprisonnant une partie du carbone qui se trouve normalement dans les gaz d'échappement engendrés par combustion d'un combustible hydrocarbone et qui serait autrement dégagé dans l'atmosphère avec les gaz d'échappement, ce carbone se déposant sur les particules du lit. On peut agencer le lit de manière qu'une partie de celui-ci ne soit pas traversée par des tubes de sorte qu'elle atteint une température plus élevée que le reste du lit et que le carbone déposé ne produit pas de brûlage des particules lorsqu'elles traversent cette partie du lit.
On peut également utiliser l'échangeur de chaleur représenté sur les fig. 1 et 2 pour récupérer la chaleur contenue dans les gaz d'échappement de chaudières, d'incinérateurs ou d'autres systèmes de combustion engendrant des gaz chauds. Dans ce cas, on fait pénétrer les gaz chauds dans l'échangeur de chaleur par l'entrée 15 et on introduit de la vapeur ou de l'eau à chauffer dans l'échangeur de chaleur par les tubes 16. Puisque l'eau ou la vapeur sont chauffées graduellement à mesure qu'elles s'écoulent dans les tubes 16, il peut être avantageux de maintenir une partie du lit à une température plus élevée qu'une autre partie afin que le gradient de température transversal dans la paroi d'un tube soit sensiblement uniforme sur toute sa longueur.
Ce problème peut être résolu en faisant varier l'espacement entre ailettes ou l'espacement entre tubes d'une partie du lit à une autre, la partie du lit dans laquelle les ailettes ou tubes sont plus largement espacés étant automatiquement maintenue à une température un peu
supérieure à celle du reste du lit. Une migration de particules
d'une partie du lit à une autre est limitée dans une certaine mesure par les ailettes 17 ainsi que par la profondeur relativement faible
du lit, de sorte qu'on peut maintenir une différence de tempéra
ture entre des parties différentes du lit alors que cela ne serait pas
possible dans un lit profond du fait de la liberté de migration des
particules entre différentes parties du lit.
Deux échangeurs de chaleur ou plus, conformes à ce qui a été
représenté sur les fig. 1 et 2, peuvent être branchés en série de
manière que des gaz chauds dont on doit récupérer la chaleur
passent en premier au travers du lit d'un échangeur de chaleur
puis au travers du lit d'un autre échangeur. Les tubes 16 des
échangeurs peuvent être reliés en série ou en parallèle.
On peut également utiliser l'échangeur de chaleur pour trans
mettre la chaleur contenue dans un fluide passant dans les
tubes 16 à un gaz passant au travers du lit. Ainsi, I'échangeur de
chaleur peut être utilisé comme un condenseur, de la vapeur étant
introduite dans les tubes 16 et de l'air ambiant traversant le lit
afin de refroidir les tubes et de condenser la vapeur.
Sur la fig. 3 on a représenté une variante de l'échangeur de
chaleur des fig. 1 et 2. Des parties représentées sur la fig. 3 et
correspondant à celles déjà décrites en référence aux fig. 1 et 2 ont
été désignées par des références numériques identiques affectées
du préfixe 1.
Dans la variante de la fig. 3, le support de lit comprend des
nervures 120 formées sur les ailettes 117 le long de leurs bords
inférieurs, les nervures d'une ailette faisant saillie en direction de
celles d'ailettes adjacentes situées de l'autre côté. Une ouverture étroite 121 est formée par chaque paire de nervures adjacentes, la
largeur de ces ouvertures étant inférieure au diamètre des parti
cules constituant le lit 112. En conséquence, les nervures 120 sont
agencées pour supporter le lit et pour permettre l'écoulement d'un
gaz depuis la chambre inférieure 114 jusque dans le lit par l'inter
médiaire des orifices 121.
En particulier, la largeur des ouvertures 121 est comprise entre
0,1 et 0,2 mm. Pour maintenir cet espacement, on peut braser des
cales de l'épaisseur appropriée entre des nervures adjacentes 120 à
proximité des extrémités des ailettes 117. En variante, on peut
pourvoir les nervures, pendant une opération d'estampage, de
petites saillies maintenant ledit espacement.
Le lit peut être formé de particules de sable siliceux. Dans des
cas où il est nécessaire de faire passer le gaz au travers du lit à une
vitesse telle que des particules de sable risqueraient d'être entraî
nées par le courant de gaz, on peut employer des particules for
mées d'une matière plus dense telle que du sable à base de rutile
ou de zirconie. On peut également utiliser des particules de gre
naille d'acier, d'oxyde d'aluminium ou de carbure de silicium.
Dans une expérience réalisée avec un échangeur de chaleur du
type représenté sur les fig. 1 et 2 et avec un lit formé de particules
de zirconie de 150 microns de diamètre, on a fait passer un gaz au
travers du lit à une vitesse de 0,394 m/s et on a obtenu un coeffi
cient de transmission de chaleur vers l'extérieur compris entre
2,3.106 et 2,4.106 joules par mètre carré, par heure et par degré
centigrade, ce qui a permis de récupérer 8,25 kw à partir des gaz
d'échappement passant dans l'échangeur de chaleur.
Dans une
autre expérience faite en utilisant l'échangeur de chaleur des fig. 1
et 2 et un lit composé de grenaille d'acier de 350 microns de
diamètre, on a fait passer les gaz d'échappement au travers du lit
à une vitesse de 0,724 m/s et on a obtenu un coefficient de trans
mission de chaleur vers l'extérieur de 6,4.105 joules par mètre
carré, par heure et par degré centigrade, les valeurs relativement
supérieures de température et de vitesse de gaz permettant de
récupérer 11,6 kw.
De préférence, I'espacement entre ailettes adjacentes est au moins égal à cinq fois la dimension maximale des particules du lit.
Dans le cas où l'espacement des ailettes est faible, à savoir de 3 mm, la profondeur du lit est de préférence de l'ordre de 40 mm.
Lorsque l'espacement d'ailettes est grand, la profondeur du lit peut être assez grande, en particulier jusqu'à 100 mm. On peut utiliser des profondeurs de lit jusqu'à 150 mm mais, pour des valeurs supérieures à 150 mm, on a constaté que le coefficient de transmission de chaleur est sensiblement réduit. Egalement, on peut utiliser des lits peu profonds, c'est-à-dire présentant des profondeurs non supérieures à 150 mm, avec une faible perte de charge, en particulier comprise dans la gamme allant de 75 à 250 mm d'eau, en fonction de la nature du distributeur, de la nature des particules du lit et de la vitesse du gaz fluidisant. Des pertes de charge comprises dans la gamme précitée sont suffisamment basses pour avoir un effet négligeable sur les performances des moteurs diesel ou à turbine à gaz modernes dans lesquels on fait passer les gaz d'échappement dans un échangeur de chaleur.
Il est à noter qu'avec un échangeur de chaleur du type représenté sur les fig. 1 et 2, on doit limiter le débit du gaz au travers du lit à une valeur qui empêche les gaz d'entraîner les particules complètement hors du lit ou hors de la chambre supérieure. Le mouvement de montée des particules est contrebalancé seulement par la gravité et cette résistance dépend par conséquent du poids des particules concernées. Pour obtenir de forts coefficients de transmission de chaleur et pour permettre l'utilisation d'ailettes faiblement espacées, il est avantageux d'employer des particules de dimensions réduites. Dans le cas où le lit est formé de particules de sable siliceux, on fait généralement passer le gaz fluidisant au travers du lit à une vitesse comprise entre 0,3 et 1,2 m/s.
Si on utilise des particules d'une matière plus dense comme par exemple du sable de zirconie, de rutile ou de la microgrenaille d'acier, on peut adopter des vitesses de gaz supérieures allant jusqu'à 3 m/s.
Le problème de la limitation de la vitesse de gaz dans le lit se pose en particulier dans des cas où on emploie l'échangeur de chaleur comme appareil de refroidissement par air, de l'air ambiant traversant le lit de particules afin d'absorber la chaleur contenue dans un fluide s'écoulant dans les tubes et se trouvant à une température seulement modérément supérieure, par exemple de 50c C, à la température ambiante. Dans ce cas, on doit faire passer l'air dans l'échangeur de chaleur à une vitesse élevée et le volume de l'échangeur de chaleur des fig. 1 et 2 peut être inconsidérément grand dans une telle application.
Sur les fig. 4 et 5, on a représenté un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur suivant l'invention qui peut fonctionner de façon satisfaisante en faisant passer le gaz fluidisant au travers du lit à une vitesse supérieure à ce qu'il est possible d'obtenir en pratique avec un échangeur de chaleur tel que celui des fig. 1 et 2. L'échangeur de chaleur comprend un tambour 310 supporté par l'intermédiaire de paliers 311 dans un carter 312 afin de tourner par rapport à celui-ci autour d'un axe 313 qui, comme indiqué sur le dessin, est orienté horizontalement.
Le tambour 310 comprend plusieurs'tubes 314 qui sont orientés parallèlement à l'axe 313, qui sont espacés l'un de l'autre dans le sens périphérique du tambour et qui sont disposés à proximité de sa périphérie. Les tubes sont reliés entre eux par plusieurs ailettes 315 qui ont chacune une forme annulaire et qui sont pourvues d'un nombre de trous égal à celui des tubes 314 afin que chaque tube passe dans un trou de chaque ailette. Chaque ailette est pourvue, sur ses deux faces qui sont tournées vers des ailettes adjacentes et dans une zone contiguë à la périphérie extérieure de l'ailette, d'une nervure 316 qui entoure complètement le tambour.
Les nervures constituent collectivement un distributeur destiné à supporter un lit 317 de particules solides sur la face du tambour qui est dirigée vers l'intérieur. Des ouvertures par lesquelles du gaz peut pénétrer dans le tambour sont formées entre des nervures adjacentes, la largeur de ces ouvertures étant inférieure au dia mètre des particules constituant le lit. L'espacement entre les nervures est maintenu par des cales qui sont brasées entre des nervures adjacentes à intervalles répartis sur la périphérie du tambour ou bien par de petites saillies formées sur les nervures par une opération d'estampage.
De préférence, comme indiqué sur la fig. 4, il est prévu sur la périphérie du.tambour 310 une seule couche de tubes 314.
Lorsque l'échangeur de chaleur est en service, les tubes 314 et les ailettes 315 sont complètement immergés dans le lit 317. La profondeur du lit peut être en particulier de 50 mm et elle est de préférence inférieure à 75 mm. Les particules du lit peuvent être formées d'une des différentes matières mentionnées ci-dessus et par exemple, les ailettes 315 être espacées d'environ 2,5 mm les unes des autres.
Les tubes 314 sont branchés en parallèle et communiquent respectivement avec des collecteurs d'entrée et de sortie 319, 320 qui sont prévus aux extrémités opposées du tambour 310. Les collecteurs sont reliés à un tuyau d'entrée fixe 321 et à un tuyau de sortie fixe 322 à l'aide de joints permettant une rotation relative des collecteurs.
A l'extrémité du tambour qui est adjacente au tuyau d'entrée 321, il est prévu un ventilateur 323 monté à rotation autour de l'axe 313. Le ventilateur est fixé sur un arbre d'entraînement creux 324, disposé concentriquement au tuyau d'entrée 321 et des moyens (non représentés) tels qu'une poulie et une courroie, assurent l'entraînement de l'arbre à partir d'un moteur. Un réducteur à engrenages épicycloldaux 325 assure la transmission du mouvement de marbre 324 au tambour 310 afin que ce dernier tourne à une vitesse plus lente que le ventilateur 323. En particulier, le tambour peut tourner à une vitesse égale à 1/10 de celle du ventilateur.
Le carter 312 entoure le ventilateur 323 et délimite une entrée axiale d'air 326 adjacente à ce ventilateur. Ce carter présente un diamètre bien supérieur à celui du tambour 310, de sorte qu'un passage annulaire 327 est formé entre la périphérie du tambour et l'intérieur du carter. Le carter définit également une sortie axiale d'air 328 à son extrémité éloignée de l'entrée 326.
L'extrémité du tambour adjacente à l'entrée d'air 326 est fermée, tandis que l'extrémité du tambour adjacente à la sortie d'air 328 est pourvue-d'orifices par lesquels de l'air peut s'écouler de l'intérieur du tambour vers la sortie. Lorsque l'échangeur de chaleur est en service, on introduit de l'air par l'entrée 326 dans le passage annulaire 327 de manière qu'il s'écoule par l'intermédiaire des orifices 318 et du lit 317 dans le volume intérieur du tambour, puis vers la sortie. L'écoulement de l'air dans une direction orientée radialement vers l'intérieur au travers du lit assure une fluidisation de ce dernier tandis que la force centrifuge exercée par la rotation du tambour a tendance à refouler les particules radialement vers l'extérieur contre les nervures 316.
A condition que le tambour 310 tourne suffisamment rapidement, l'échangeur de chaleur de la fig. 4 peut fonctionner de manière que les gaz traversant le lit 317 s'écoulent à une vitesse comprise entre 3 et 6 m/s.
On peut utiliser l'échangeur de chaleur de la fig. 4 comme condenseur de vapeur. Dans cette application, on introduit de la vapeur dans l'échangeur de chaleur par l'intermédiaire du tuyau d'entrée 321, cette vapeur étant répartie par l'intermédiaire du collecteur d'entrée 319 dans les tubes 314 qui transmettent la chaleur contenue dans la vapeur aux particules constituant le lit 317. La vapeur se condense et l'eau est évacuée de l'échangeur de chaleur par l'intermédiaire du collecteur de sortie 320 et du tuyau de sortie 322. On fait passer de l'air ambiant au travers du lit 317 pour extraire la chaleur contenue dans ses particules.
Sur la fig. 6, on a représenté schématiquement un autre échangeur de chaleur dans lequel un lit de particules est supporté par la face dirigée vers l'intérieur, d'un tambour tournant perforé 410 qui est monté à l'aide de paliers (non représentés) de façon à tourner autour d'un axe vertical 411.
Il est prévu des moyens pour faire pénétrer l'air dans le tambour à partir de sa périphérie; ces moyens peuvent comprendre un conduit de sortie d'air 412 qui s'étend à partir de l'intérieur du tambour au travers de son extrémité supérieure. Ce conduit de sortie est relié à un ventilateur ou à un autre dispositif aspirant l'air contenu dans le tambour. Avec cette disposition, la face du tambour qui est tournée-radialement vers l'extérieur peut être en communication avec l'atmosphère. En variante, on peut prévoir un conduit approprié pour canaliser l'air débité par un ventilateur ou un dispositif similaire vers la périphérie du tambour, auquel cas l'extrémité supérieure du tambour peut être ouverte.
L'échangeur de chaleur représenté sur la fig. 6 comprend en outre des tubes ailetés 413 qui sont-situés en dessous de l'extrémité inférieure du tambour 410. Ces tubes sont enfermés dans un carter 414 comportant une sortie 415 orientée vers la face du tambour 410 qui est tournée vers l'intérieur dans une position légèrement espacée du dessus de son extrémité inférieure.
A son extrémité inférieure, le tambour 410 comprend une collerette 416 orientée radialement vers l'intérieur et coopérant avec le carter 414 de façon à obturer l'extrémité inférieure du tambour. A son extrémité supérieure, le tambour porte un bouclier 417 de forme partiellement annulaire, qui s'étend radialement vers l'intérieur à partir de la périphérie du tambour.
Il est prévu à l'extérieur du tambour 410, dans une zone adjacente à l'intervalle existant entre des extrémités opposées du bouclier 417, un récepteur 418 qui est relié par un conduit vertical 419 au carter 414 dans une zone située en dessous des tubes 413.
Le conduit 419 et le carter 414 sont remplis de particules, le tambour 410 contenant une autre masse desdites particules. Lors de la rotation du tambour, les particules contenues dans celui-ci forment une couche ou lit 420 qui recouvre complètement la surface du tambour dirigée vers l'intérieur. Comme le montrent les dessins, ce lit présente une conicité dirigée vers le haut.
Lorsque de l'air est aspiré dans le tambour à partir de sa périphérie, comme précédemment décrit, le lit 420 est fluidisé et ses particules ont tendance à s'écouler vers le haut, en réduisant ainsi la différence entre l'épaisseur du lit dans une zone adjacente à l'extrémité inférieure du tambour et l'épaisseur du lit dans une zone adjacente à son extrémité supérieure. A l'extrémité supérieure du tambour, la montée des particules constituant le lit 420 est arrêtée par le bouclier 417, excepté en ce qui concerne les particules qui arrivent dans l'intervalle existant entre les extrémités du bouclier. Ces particules passent par-dessus l'extrémité supérieure du tambour et se propagent radialement vers l'exté- rieur jusque dans le récepteur 418.
La colonne de particules contenues dans le conduit 419 soumet les particules se trouvant dans le carter 414 à une pression suffisante pour propulser les particules du carter jusque dans le lit 420 par l'intermédiaire de l'orifice de sortie 415. En conséquence, il s'établit une circulation des particules qui partent du lit pour revenir à celui-ci par l'intermédiaire des tubes 413.
L'eau ou un autre fluide à refroidir passe dans les tubes 413 où la chaleur est transmise dans les particules se trouvant dans le carter 414. Ces particules sont ensuite refroidies par l'air entrant lorsqu'elles sont situées dans le lit 420, de sorte que la chaleur évacuée du fluide circulant dans les tubes 413 est finalement transmise à l'air.
Si nécessaire, on peut prévoir des moyens pour introduire de l'air dans le carter 414 ou dans le conduit 415 afin de fluidiser les particules se trouvant dans ceux-ci, ou tout au moins de faciliter l'écoulement desdites particules dans la direction nécessaire.
Le récepteur 418 peut entourer complètement l'extrémité supérieure du tambour 410, auquel cas on supprime le bouclier 417.
Il est évident que, lorsque les tubes ailetés de la disposition de la fig. 6 sont placés à l'extérieur du lit, on peut réduire la profondeur de ce dernier sans affecter le taux de transmission de chaleur entre les particules et les tubes ailetés. L'étendue de la surface effective de transmission de chaleur des tubes ailetés n'est pas limitée par les dimensions du tambour et par la profondeur du lit.
Pour éviter des pertes de charge assez grandes au travers du lit, on peut adopter des profondeurs de lit de l'ordre de 25 mm, des valeurs de l'ordre de 15 mm pouvant être satisfaisantes dans certaines applications.
La variante de l'échangeur de chaleur de la fig. 1 qui est représentée sur la fig. 3 ainsi que l'échangeur de chaleur des fig. 4 et 5 présentent tous deux l'avantage que les nervures qui constituent les distributeurs sont en liaison thermique par l'intenmé- diaire des ailettes avec les tubes qui contiennent un réfrigérant liquide dans le cas où on utilise l'échangeur de chaleur pour transmettre de la chaleur contenue dans un gaz chaud à un liquide
En conséquence, on peut faire passer en toute sécurité un gaz à très haute température au travers du distributeur sans risque de surchauffe et de déformation de ce dernier.
La structure représentée sur les fig. 4 et 5 convient bien pour résister aux contraintes centrifuges engendrées par rotation. En outre, on peut fabriquer le tambour d'une manière simple en pourvoyant les ailettes de nervures par estampage d'une matière présentant une grande conductivité thermique, comme par exemple l'aluminium ou le cuivre, et en engageant les tubes dans des trous respectifs ménagés dans les ailettes. On dispose ensuite des cales d'espacement d'épaisseur appropriée, par exemple de 0,2 mm, entre des nervures adjacentes à des intervalles d'environ 50 mm sur la périphérie du tambour et on assemble les composants du tambour par brasage ou par un autre procédé. En variante, on peut pourvoir les nervures de petites saillies jouant le rôle d'entretoises d'espacement.
Un autre avantage de la construction représentée sur les fig. 4 et 5 et de la variante de la fig. 3 consiste en ce qu'il n'existe aucun intervalle entre les ailettes et le distributeur. Dans la construction représentée sur les fig. 1 et 2, il peut se produire une migration latérale de particules depuis un intervalle vertical existant entre deux ailettes adjacentes jusque dans un autre intervalle vertical par l'intermédiaire des ouvertures existant entre les bords inférieurs des ailettes et le distributeur. Même si les ailettes sont placées à proximité du distributeur, il peut se produire encore une certaine migration latérale. Si on empêche cette migration latérale, il est possible d'établir et de maintenir aisément des différences de température entre une partie du lit et une autre.
Dans tous les exemples d'échangeurs de chaleur suivant l'invention, il est préférable que l'espacement entre ailettes ne soit pas inférieur à cinq fois la dimension maximale des particules du lit. De préférence, les ailettes sont disposées de façon à augmenter la surface utile des tubes d'une valeur telle qu'un tube non aileté de la même surface utile ait un diamètre compris entre quatre et vingt fois le diamètre des tubes ailetés utilisés.
On considère que le diamètre des tubes ne doit pas être supérieur à 25 mm et qu'on peut utiliser des tubes d'un diamètre descendant jusqu'à celui de tubes capillaires. La capacité de transmission de chaleur d'un échangeur particulier peut être modifiée en ajoutant ou en enlevant des particules du lit. Par exemple, on peut enlever les particules d'un lit pour dégager une partie des ailettes et, par conséquent, pour réduire la surface utile des tubes ailetés.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. Par exemple, les échangeurs de chaleur décrits ci-dessus peuvent être modifiés de façon à assurer une transmission de chaleur entre une matière particulaire solide et un fluide. Dans ce cas, on agence l'échangeur de chaleur de manière que la matière particulaire solide soit introduite dans le lit et et évacuée après l'avoir traversé. Le gaz fluidisant est recyclé au travers du lit, sa fonction consistant simplement à fluidiser les particules mais non à évacuer la chaleur des particules ou à leur en fournir. Le fluide avec lequel de la chaleur doit être échangée passe dans les tubes ailetés qui sont immergés dans le lit.
Dans de nombreux cas, il est souhaitable, pour des raisons d'économie, d'utiliser des tubes de surface accrue qui sont fabriqués par des procédés connus, par exemple des tubes à ailettes circulaires, des tubes à ailettes soudées ou des tubes à goujons mais, en général, la conception des ailettes diffère des formes existantes de tubes de surface accrue à cause des flux de transmission de chaleur très élevés. En conséquence, les ailettes ont, de préférence, une plus grande épaisseur que leurs contreparties conçues pour des échanges de chaleur par convection.