EP2281149B1 - Nouveau dispositif de controle du profil radial de la temperature d'une veine gazeuse - Google Patents

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EP2281149B1
EP2281149B1 EP09745913A EP09745913A EP2281149B1 EP 2281149 B1 EP2281149 B1 EP 2281149B1 EP 09745913 A EP09745913 A EP 09745913A EP 09745913 A EP09745913 A EP 09745913A EP 2281149 B1 EP2281149 B1 EP 2281149B1
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EP
European Patent Office
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diameter
temperature
gas stream
pipe
hot
Prior art date
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EP09745913A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP2281149A2 (fr
Inventor
Christophe Boyer
André NICOLLE
Willi Nastoll
Robert Sanger
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
Family has litigation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/006—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber being arranged for cyclonic combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F23C7/04—Disposition of air supply not passing through burner to obtain maximum heat transfer to wall of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2203/00—Flame cooling methods otherwise than by staging or recirculation
    • F23C2203/30—Injection of tempering fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion

Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling the temperature of a gas stream, the gas stream constituting a hot fluid resulting for example from a combustion, and intended, after cooling, to be used as heat transfer fluid in a downstream exchanger of the present device.
  • the downstream exchanger is not part of the present invention and may be of any type.
  • the device according to the invention makes it possible at the same time to reduce the temperature of the gas stream while respecting a given radial profile of temperature.
  • the device according to the invention can, for example, be placed along a flue gas circuit, and can deliver a gas stream at a reduced temperature and having a radial profile of temperature as homogeneous as possible over its entire section. .
  • the device according to the invention applies to combustion gases available at a temperature of up to 2500 ° C., and generally between 1000 ° C. and 2500 ° C., which is desired to be heated to a temperature below 1000 ° C. ° C in a perfectly homogeneous manner, that is to say with a radial profile of said temperature that is "flat" in any section of the gas stream.
  • This problem of radial homogeneity is complex because the hot gaseous vein, for example resulting from a combustion carried out by means of a burner, generally has a radial profile of temperature marked by large differences between the temperature at the center of the vein and the temperature at the periphery of said vein. According to the technology of the burner used and the flow regime, most often turbulent, it is not uncommon to observe temperatures in the center of the gas vein close to 2500 ° C, and temperatures around 1500 ° C.
  • the first objective achieved by the present invention is to lower the temperature of a "hot" gas stream available at a temperature between 1000 ° C and 2500 ° C and may have radial temperature heterogeneities, at a level less than 1000 ° C, more particularly less than 700 ° C in a given time of less than 1 second, and so that the resulting gas vein, called “cold" vein is characterized by a radial profile temperature as homogeneous as possible.
  • the device also makes it possible to provide at the level of the walls of the present device in contact with the gaseous vein to be treated, an area within which the temperature of the said gaseous vein is always less than that of the periphery of said vein, and if possible less than 500 ° C, which makes it possible to carry out most or all of said device in an inexpensive metallurgy.
  • this second objective is to some extent antagonistic with the first, since it is ultimately a gaseous vein having a homogeneous radial profile, while the second objective is to achieve the entire crossing of the device by the gaseous vein, a radial profile of the latter, characterized by a cold wall zone (less than 500 ° C), while the central zone can reach temperatures of 1500 ° C, in order to protect the device walls of excessive temperatures.
  • the present device thus makes it possible to solve a problem that can be defined by two objectives, the first objective consisting in producing a profile having a cold wall area at the crossing of the device and the second consisting in producing, at the output of said device, a profile. "flat", both objectives to be achieved by respecting a total residence time of less than 1 second.
  • the patent US 7,018,435 B1 describes a device in which the fuel is injected near the wall around an oxidant jet so as to ensure a good oxidant / fuel mixture before entering the reaction section, in this case a catalytic oxidation reaction .
  • this invention is not intended to control the temperature of the enclosure in which the oxidation takes place.
  • the central flow is not rotated.
  • the document US 5,044,932 A discloses another device comprising an inner duct (formed by the heating tubes) and flowing substantially along the axis of the device, a cylindrical enclosure surrounding the duct over a length, a convergent conical portion of a length allowing to pass from the diameter of the cylindrical chamber to a strictly lower diameter, and a cylindrical duct extending over a length.
  • the present invention provides a set of specific ratios for defining the overall geometry of the device so as to achieve the two aforementioned objectives.
  • the device according to the invention can be defined as a device for cooling a hot gaseous vein by respecting a temperature constraint at the wall of said gaseous vein, throughout the crossing of said device, and a radial temperature profile. more homogeneous possible output of said device.
  • the supply line (5) is used to supply cooling fluid to the annular portion (6) between the outer cylindrical chamber (1) and the inner pipe (4).
  • the supply line (5) of the coolant is located at a distance d from the input section of the device, d / Di being greater than 0.1.
  • the inner duct (4) contains a burner extending approximately over a length equal to (L1) / 2.
  • the cylindrical chamber (1) of diameter De is generally ordinary steel.
  • the hot stream to be cooled can be generated by any combustion system producing flue gases up to a temperature of up to 2500 ° C.
  • the hot gas stream is generated by a burner in situ, ie placed within the device inside the internal pipe of diameter Di.
  • the length of the flame tube containing said burner is preferably between 0.5 L1 and 0.8 L1.
  • the cooling fluid is introduced into the annular space through the pipe (5), preferably so as to produce a rotational movement of said cooling fluid in the same direction as the rotational movement of the combustion gases from the burner.
  • the invention can also be defined as a method of cooling a hot gaseous stream by means of the device according to the present invention, in which the cooling fluid is injected via line (5) at an average speed generally of between 5 m / s and 80 m / s, and preferably between 10m / s and 30 m / s. Said speed is related to the section of the supply line (5) or to each of said supply lines when there are several.
  • the method of cooling a hot gas stream by means of the device according to the invention makes it possible to produce a wall zone within which the temperature is generally between 200 ° C. and 500 ° C.
  • the method of cooling a hot gas stream by means of the device according to the invention simultaneously makes it possible to produce, at the outlet of said device, a uniform temperature radial profile throughout its section, ie with a difference in temperature. between the temperature at the center of the gas stream and the temperature at the periphery of the gas stream less than 35%.
  • the present invention describes a device for lowering the temperature of a hot gas stream, contained in a conduit (4) of diameter Di, while ensuring its homogeneity in any section of said vein.
  • X the main axis of symmetry of the device which corresponds to the coordinate according to which are counted the different lengths (L1, Lc, L2 ...), and also of the point process, at the coordinate according to which the gaseous vein flows.
  • This supply line may be single or may be divided into a number of supply lines evenly distributed along the X axis.
  • the choice of the number and the diameter of each of the ducts is made in such a way as to respect both the total flow rate of cooling fluid allowing to lower the temperature of the the gaseous vein at the desired temperature, and the cooling gas output speed criterion.
  • the exit velocity of the cooling fluid at the level of the supply line or lines (5) is between 5 m / s and 80 m / s, and preferably between 10 m / s and 30 m / s.
  • the direction of the velocity vector of the cooling fluid at the feed line (5) is perpendicular to the X axis, so as to induce a rotational movement of said cooling fluid inside the annular space ( 6).
  • This rotational movement has the effect of homogenizing the flow of said cooling fluid all around the annular space (6), and thus homogenize the temperature field periphery of the device.
  • the gaseous stream to be cooled may be generated upstream of the present device in any heat generating system, such as an oven, or may be generated by a burner placed within the same device.
  • the present invention is compatible with any type of burner, whether the burner is premixed (or premix fuel and oxidant) or not.
  • the burner will produce a non-pre-mixed flame, called diffusion flame.
  • the present invention is also compatible with any type of gaseous or liquid fuel.
  • the fuel consists of any hydrocarbon fraction, or light gases that may contain hydrogen.
  • the oxidizer is usually air but can also be enriched air, or even in some cases pure oxygen.
  • the burner generating the hot gas stream is a burner comprising a device for rotating the combustion gases generated (called “swirl” in the English terminology).
  • the rotation of the cooling fluid inside the annular zone (6) is in the same direction as the rotation of the combustion gases generated by the burner.
  • the burner is placed inside a tube, said flame tube, whose diameter di is approximately between 0.2 Di and 1 Di.
  • the length of the flame tube containing the burner is approximately 0.5 L1 to 0.8 L1.
  • the structure of the radial temperature profile of the hot gaseous vein after mixing with the cooling fluid, has a wall zone within which the temperature of the gaseous stream is less than 500 ° C. over the entire length of the device, and less than 700 ° C at any point downstream of the device. It is in these conditions possible to use for the walls delimiting the device and the pipes located downstream of said device a type 309 steel according to the AISI standard (that is to say of typical composition 24% of Cr and 14% of Ni) , or any other equivalent steel.
  • the cylindrical duct (3) inside which the exchange of heat between the gaseous stream to be cooled and the cooling fluid continues can be subjected to wall temperatures of up to 700 ° C.
  • wall temperatures of up to 700 ° C.
  • the purpose of this grid is to homogenize the flow of the cooling fluid all around the annular zone (6).
  • the cooling fluid is generally air at room temperature. It may also be an inert gas such as nitrogen, argon or helium.
  • the cooling fluid may also in some cases consist of a mixture containing CO2, such as fumes sufficiently cold and not containing water (so-called "dry" fumes).
  • the cooling fluid may consist at least in part of a fraction cooled gaseous vein, after its use as heat transfer fluid in a downstream exchanger.
  • a comparative example is provided of a hot vein with and without the device according to the invention.
  • a hot vein is produced by a burner placed inside the duct of diameter di.
  • the burner has a length equal to 250mm.
  • the oxidant consists of 10.8 g / s flow air and the fuel is liquid flow ethanol 1.06 g / s.
  • a flow of cooling air is injected perpendicularly to the section of the device, with a flow rate of 35 g / s, corresponding at a speed of 14.0 m / s.
  • This cooling air flow ensures the rotation of said fluid over the entire annular space (6).
  • the case without a device corresponds to the absence of cooling air injection.
  • the average temperature of the gas stream is then 1900 ° C.
  • the case with device corresponds to the injection of cooling air into the annular space (6) between the duct of diameter Di and the outer envelope of diameter De.
  • the average temperature of the gas stream after mixing with the fluid cooling is then 700 ° C.
  • the wall temperature is moreover always lower than 580 ° C.
  • the radial temperature profile presents to the walls a cooled zone inside which the temperature is around 300 ° C, which zone does not exist without the device where the temperature in the zone wall thickness is about 1600 ° C.
  • this level of homogeneity at the output of the device is difficult to achieve considering that one of the functions of the device is to permanently create a so-called "wall" temperature zone of less than 500 ° C., so as to protect the corresponding walls of said device.
  • the homogeneity performance of the radial temperature profile at the outlet of the device must be assessed taking into account the second objective that allows to achieve the device according to the invention which is the creation of a "cold" wall zone.
  • the Figures 4 and 5 represent isotemperature maps and make it possible to visualize the temperature field with and without the device.
  • the figure 4 shows a spread of isotemperature curves especially around the conical zone (2), whereas on the figure 5 (With the device) there is a marked narrowing of isotemperature curves which are concentrated in a cylindrical brush approximately aligned with the flame tube.
  • This tightening effect is particularly interesting since it allows to confine the hot vein while maintaining a cold wall zone.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne un dispositif de contrôle de la température d'une veine gazeuse, la veine gazeuse constituant un fluide chaud issu par exemple d'une combustion, et destinée, après refroidissement, à être utilisée comme fluide caloporteur dans un échangeur situé en aval du présent dispositif. L'échangeur situé en aval ne fait pas partie de la présente invention et peut être d'un type quelconque.
  • Le dispositif selon l'invention permet à la fois de réduire la température de la veine gazeuse, tout en respectant un profil radial de température donné.
  • Le dispositif selon l'invention peut, par exemple, se placer le long d'un circuit de fumées, et permet de délivrer une veine gazeuse à température réduite et présentant un profil radial de température le plus homogène possible sur l'ensemble de sa section.
  • Plus particulièrement, le dispositif selon l'invention s'applique à des gaz de combustion disponibles à une température pouvant atteindre 2500°C, et généralement comprise entre 1000°C et 2500°C, qu'on désire porter à une température inférieure à 1000°C d'une manière parfaitement homogène, c'est à dire avec un profil radial de ladite température qui soit "plat" selon n'importe quelle section de la veine gazeuse.
  • Ce problème d'homogénéité radiale est complexe car la veine gazeuse chaude, par exemple issue d'une combustion réalisée au moyen d'un brûleur, présente généralement un profil radial de température marqué par des écarts importants entre la température au centre de la veine et la température en périphérie de ladite veine. Selon la technologie du brûleur utilisé et le régime d'écoulement, le plus souvent turbulent, il n'est pas rare d'observer des températures au centre de la veine gazeuse voisine de 2500°C, et des températures en périphérie d'environ 1500°C.
  • Le premier objectif atteint par la présente invention est d'abaisser la température d'une veine gazeuse "chaude" disponible à une température comprise entre 1000°C et 2500°C et pouvant présenter des hétérogénéités radiales de température, à un niveau inférieur à 1000°C, plus particulièrement inférieure à 700°C dans un temps donné inférieur à 1 seconde, et de manière que la veine gazeuse résultante, dite veine" froide" soit caractérisée par un profil radial de température le plus homogène possible.
  • Le dispositif permet en outre de ménager au niveau des parois du présent dispositif en contact avec la veine gazeuse à traiter, une zone à l'intérieur de laquelle la température de ladite veine gazeuse est toujours inférieure à celle de la périphérie de ladite veine, et si possible inférieure à 500°C, ce qui permet de réaliser la majeure partie, voire l'intégralité dudit dispositif dans une métallurgie peu coûteuse.
  • Il convient de noter que ce second objectif est dans une certaine mesure antagoniste avec le premier, puisqu'il s'agit au final d'obtenir une veine gazeuse présentant un profil radial homogène, alors que le second objectif consiste à réaliser sur toute la traversée du dispositif par la veine gazeuse, un profil radial de cette dernière, caractérisé par une zone de paroi froide ( inférieure à 500°C), alors que la zone centrale peut atteindre des température de 1500°C, ceci dans le but de protéger les parois du dispositif de températures excessives.
  • Le présent dispositif permet donc de résoudre un problème que l'on peut définir par deux objectifs, le premier objectif consistant à réaliser à la traversée du dispositif un profil présentant une zone de paroi froide et le second consistant à réaliser en sortie dudit dispositif un profil "plat", les deux objectifs devant être atteint en respectant un temps de séjour total inférieur à 1 seconde.
    • Examen de l'art antérieur
  • Le brevet US 7,018,435 B1 décrit un dispositif dans lequel le combustible est injecté à proximité de la paroi autour d'un jet de comburant de façon à assurer un bon mélange comburant/combustible avant d'entrer dans la section réactionnelle, en l'occurrence une réaction d'oxydation catalytique. Cependant, cette invention ne vise pas à contrôler la température de l'enceinte dans laquelle se déroule l'oxydation. De plus, dans cette invention, l'écoulement central n'est pas mis en rotation.
  • Le document US 5,044,932 A décrit un autre dispositif comportant un conduit intérieur (formé par les tubes de chauffage) et s'écoulant sensiblement selon l'axe du dispositif, une enceinte cylindrique entourant le conduit sur une longueur, une partie conique convergente d'une longueur permettant de passer du diamètre de l'enceinte cylindrique au un diamètre strictement inférieur, et un conduit cylindrique s'étendant sur une longueur.
  • On peut mentionner également la technologie de Westinghouse dans son brûleur dit "multi annulaire" qui fait appel à un fluide refroidissement injecté dans une conduite annulaire comportant une chicane, mais dans laquelle le dit fluide n'est pas mis en rotation. De plus le brûleur utilisé dans cette technologie est nécessairement un brûleur possédant un dispositif de mise en rotation des gaz de combustion.
  • De manière générale, le principe d'injecter un fluide de refroidissement de manière approximativement tangentielle à l'écoulement du fluide principal en vue de refroidir ce dernier et de lui communiquer une certaine rotation, est connu de l'homme du métier.
  • La présente invention fournit un jeu de ratios spécifiques permettant de définir la géométrie d'ensemble du dispositif de façon à atteindre les deux objectifs précités.
    • Description sommaire des figures
    • La figure 1 donne une représentation schématique du dispositif selon la présente invention dans le cas général d'une veine gazeuse issue d'une combustion en amont. En pointillé sur cette figure, on a représenté le cas particulier où la veine chaude est générée par un brûleur placé in situ, c'est à dire à l'intérieur même du présent dispositif.
    • Les figures 2 et 3 présentent des relevés de profil radial de la température pris dans la veine gazeuse avec le dispositif (lignes continues) et sans le dispositif selon l'invention (lignes pointillées). La figure 2 correspond à un relevé effectué à l'entrée du dispositif ( partie convergente), et la figure 3 à un relevé effectué en sortie du dispositif.
    • Les figures 4 et 5 représentent des cartographies d'isotempératures effectuées dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe du dispositif.
    • La figure 4 est obtenue sans le dispositif, et la figure 5 avec le dispositif selon l'invention.
    Description sommaire de l'invention
  • Le dispositif selon l'invention peut se définir comme un dispositif destiné à refroidir une veine gazeuse chaude en respectant une contrainte de température à la paroi de la dite veine gazeuse, tout au long de la traversée dudit dispositif, et un profil radial de température le plus homogène possible en sortie dudit dispositif.
  • Plus précisément le dispositif selon l'invention est un dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit intérieur (4) de diamètre Di et s'écoulant sensiblement selon l'axe de symétrie dudit dispositif. Le dispositif objet de l'invention comporte:
    • une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit de diamètre Di sur une longueur L1,
    • une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de passer du diamètre De au diamètre Ds strictement inférieur à De,
    • un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur L2,
    • au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de diamètre Dc située sensiblement perpendiculairement à l'axe du dispositif, et débouchant au niveau de la zone annulaire délimitée par l'enceinte cylindrique (1) et le conduit (4) de diamètre Di.
  • La conduite d'amenée (5) permet d'alimenter en fluide de refroidissement la partie annulaire (6) comprise entre l'enceinte cylindrique externe (1) et le conduit interne (4).
  • Selon une caractéristique préférée du dispositif selon l'invention, la conduite d'amenée (5) du fluide de refroidissement est située à une distance d de la section d'entrée du dispositif, d/Di étant supérieur à 0,1.
  • Selon une autre caractéristique préférée du dispositif selon l'invention, le conduit intérieur (4) contient un brûleur s'étendant approximativement sur une longueur égale à (L1)/2.
  • Du fait du profil de température réalisé par le dispositif, l'enceinte cylindrique (1) de diamètre De est généralement en acier ordinaire.
  • La veine chaude à refroidir peut être générée par tout système de combustion produisant des gaz de combustion jusqu'à une température pouvant atteindre 2500°C. Dans certains cas, la veine gazeuse chaude est générée par un brûleur in situ, c'est à dire placé au sein du dispositif à l'intérieur de la conduite interne de diamètre Di. Dans ce cas, la longueur du tube de flamme contenant ledit brûleur est préférentiellement comprise entre 0,5 L1 et 0,8 L1.
  • De manière préférée, une grille (8) est disposée dans l'espace annulaire (6) dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du dispositif à une distance comprise entre L1/4 et L1/2 de l'entrée du dispositif (correspondant à l'abscisse X=0).
  • Lorsque la veine chaude est générée par un brûleur in situ, et que ledit brûleur génère un mouvement de rotation des gaz de combustion, le fluide de refroidissement est introduit dans l'espace annulaire par la conduite (5), préférentiellement de manière à produire un mouvement de rotation dudit fluide de refroidissement dans le même sens que le mouvement de rotation des gaz de combustion issus du brûleur.
  • L'invention peut également se définir comme un procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon la présente invention, dans lequel le fluide de refroidissement est injecté par la conduite (5) à une vitesse moyenne généralement comprise entre 5 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 10m/s et 30 m/s. La dite vitesse est rapportée à la section de la conduite d'amenée (5) ou à chacune desdites conduites d'amenée lorsqu'il y en a plusieurs.
  • Le procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'invention permet de réaliser une zone de paroi à l'intérieur de laquelle la température est généralement comprise entre 200°C et 500°C.
  • Enfin, le procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'invention permet simultanément de réaliser en sortie dudit dispositif un profil radial de température homogène dans toute sa section, c'est à dire avec un écart de température entre la température au centre de la veine gazeuse et la température en périphérie de la veine gazeuse inférieur à 35%.
    • Description détaillée de l'invention
  • La présente invention décrit un dispositif permettant d'abaisser la température d'une veine gazeuse chaude, contenue dans un conduit (4) de diamètre Di, tout en garantissant son homogénéité dans toute section de ladite veine.
  • Le dispositif consiste en un ensemble axisymétrique comprenant:
    • une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit (4) de diamètre Di sur une longueur L1,
    • une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de passer du diamètre De au diamètre Ds, strictement inférieur à De,
    • un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur L2,
    • au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de diamètre Dc, située sensiblement perpendiculairement à l'axe de symétrie du dispositif, et permettant d'alimenter en fluide de refroidissement la partie annulaire (6) comprise entre l'enceinte cylindrique externe (1) de diamètre De, et le conduit (4) de diamètre Di, le dispositif respectant les proportions suivantes:
    • L1/Di compris entre 0,5 et 2 et préférentiellement compris entre 1 et 2
    • Lc/Di compris entre 0,5 et 5 et préférentiellement compris entre 0,6 et 2
    • L2/Di compris entre 1,5 et 10 et préférentiellement compris entre 2 et 5
    • Dc/Di compris entre 0,1 et 0,4 et préférentiellement compris entre 0,2 et 0,3
    • De/Di compris entre 1 et 5 et préférentiellement compris entre 1 et 2
  • Pour la bonne compréhension de la suite du texte, on convient de noter X l'axe de symétrie principal du dispositif qui correspond à la coordonnée selon laquelle sont comptées les différentes longueur ( L1, Lc, L2...), et également du point de vue procédé, à la coordonnée selon laquelle la veine gazeuse s'écoule.
  • On convient de noter Y l'axe perpendiculaire à l'axe X, et contenant la conduite d'amenée (5).
  • Enfin, on convient de noter Z l'axe perpendiculaire au plan contenant les axes X et Y.
  • La conduite d'amenée (5) du fluide de refroidissement est préférentiellement située à une distance d de la section d'entrée du dispositif ( X= 0), telle que d/Di est supérieur à 0,1. Cette conduite d'amenée peut être unique ou être divisée en un certains nombre de conduites d'amenée régulièrement réparties le long de l'axe X.
  • Dans le cas d'une multiplicité de conduites d'amenée (5), le choix du nombre et du diamètre de chacune des conduites est fait de manière à respecter à la fois le débit total de fluide de refroidissement permettant d'abaisser la température de la veine gazeuse à la température voulue, et le critère de vitesse de sortie du gaz de refroidissement.
  • Généralement, la vitesse de sortie du fluide de refroidissement au niveau de la ou des conduites d'amenée (5) est comprise entre 5 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 10m/s et 30 m/s.
  • La direction du vecteur vitesse du fluide de refroidissement au niveau de la conduite d'amenée (5) est perpendiculaire à l'axe X, de manière à induire un mouvement de rotation dudit fluide de refroidissement à l'intérieur de l'espace annulaire (6). Ce mouvement de rotation a pour effet d'homogénéiser le flux dudit fluide de refroidissement tout autour de l'espace annulaire (6), et d'homogénéiser ainsi le champ de température en périphérie du dispositif.
  • Il a été montré que cette rotation du fluide de refroidissement contribue à maintenir une température réduite en périphérie des parois de la zone annulaire (6) tout au long du processus de mélange avec la veine gazeuse à refroidir.
  • La veine gazeuse à refroidir peut être générée en amont du présent dispositif dans tout système de génération de chaleur, tel qu'un four, ou peut être générée par un brûleur placé à l'intérieur même dudit dispositif. La présente invention est compatible avec tout type de brûleur, que ce brûleur soit à pré mélange ( ou mélange préalable du combustible et du comburant) ou non. De manière préférée, le brûleur produira une flamme non pré mélangée, dite de diffusion.
  • La présente invention est également compatible avec tout type de combustible gazeux ou liquide. Généralement le combustible est constitué d'une coupe hydrocarbure quelconque, ou de gaz légers pouvant contenir de l'hydrogène. Le comburant est généralement de l'air mais peut également être de l'air enrichi, voir même dans certains cas de l'oxygène pur.
  • De manière encore préférée, le brûleur générant la veine gazeuse chaude est un brûleur comportant un dispositif de mise en rotation des gaz de combustion générés ( appelé "swirl" dans la terminologie anglo saxonne). Dans ce cas, la rotation du fluide de refroidissement à l'intérieur de la zone annulaire (6) se fait dans le même sens que la rotation des gaz de combustion générés par le brûleur.
  • Préférentiellement, le brûleur est placé à l'intérieur d'un tube, dit tube de flamme, dont le diamètre di est approximativement compris entre 0,2 Di et 1 Di.
  • De façon encore préférée, la longueur du tube de flamme contenant le brûleur est approximativement comprise entre 0,5 L1 et 0,8 L1.
  • La structure du profil radial de température de la veine gazeuse chaude, après mélange avec le fluide refroidissement, présente une zone de paroi à l'intérieur de laquelle la température de la veine gazeuse est inférieure à 500°C sur toute la longueur du dispositif, et inférieur à 700°C en tout point situé à l'aval du dispositif. Il est dans ces conditions possible d'utiliser pour les parois délimitant le dispositif et les tubulures située en aval dudit dispositif un acier type 309 selon la norme AISI (c'est à dire de composition typique 24% de Cr et 14 % de Ni), ou tout autre acier équivalent.
  • Le conduit cylindrique (3) à l'intérieur duquel se poursuit l'échange de chaleur entre la veine gazeuse à refroidir et le fluide refroidissement peut subir des températures de paroi allant jusqu'à 700 °C. Sans le dispositif selon l'invention, le choix des matériaux constituant les parois des enceintes contenant la veine gazeuse serait beaucoup plus contraignant du fait d'une température de paroi de l'ordre de 900°C à 1200°C.
  • L'espace annulaire (6) compris entre le conduit (4) et l'enceinte cylindrique (1) peut comporter une grille (8) disposée dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du dispositif à une distance comprise entre L1/4 et L1/2 par rapport à l'origine X=0. L'objectif de cette grille est d'homogénéiser les flux du fluide de refroidissement tout autour de la zone annulaire (6).
  • Le fluide de refroidissement est généralement de l'air à température ambiante. Il peut être également un gaz inerte tel que de l'azote, l'argon ou l'hélium. Le fluide de refroidissement peut également dans certains cas être constitué d'un mélange contenant du CO2, tel que des fumées suffisamment froides et ne contenant pas d'eau ( fumées dites "sèches").
  • Dans un cas particulier lié à l'utilisation en aval de la veine gazeuse comme fluide caloporteur, le fluide de refroidissement peut être constitué au moins en partie d'une fraction de la veine gazeuse refroidie, après son utilisation comme fluide caloporteur dans un échangeur situé en aval.
    • Exemple selon l'invention
  • On fournit un exemple comparatif portant sur une veine chaude avec et sans le dispositif selon l'invention.
  • Les deux effets, 1) de création d'une zone de paroi refroidie sur une portion définie du dispositif et 2) de confinement de la veine gazeuse à l'intérieur d'un pinceau cylindrique sont clairement démontrés.
  • Une veine chaude est produite par un brûleur placé à l'intérieur du conduit de diamètre di. Le brûleur a une longueur égale à 250mm.
  • Les données géométriques du dispositif selon l'invention sont les suivantes :
    • L1 =320 mm,(L1/Di= 1,58)
    • L2=400 mm,(L2/Di= 1,98)
    • Lc=131 mm,( Lc/Di= 0,648)
    • Ds=102 mm, ( Ds/Di= 0,50)
    • De=254 mm, ( De/Di= 1,257)
    • Di=202 mm,
    • Dc=52 mm, ( Dc/Di= 0,257)
    • di=78 mm, ( di/Di= 0,386).
  • Le comburant est constitué d'air de débit 10,8 g/s et le combustible est constitué d'éthanol liquide de débit 1,06 g/s.
  • Une flamme de diffusion se stabilise à la sortie du tube de flamme de diamètre di= 78 mm, soit avec un rapport di/Di de 0,386.
  • Dans l'espace annulaire (6) compris entre le conduit de diamètre Di et l'enveloppe externe de diamètre De, un écoulement d'air de refroidissement est injecté perpendiculairement à la section du dispositif, avec un débit de 35 g/s, correspondant à une vitesse de 14,0 m/s.
  • Ce débit d'air de refroidissement assure la mise en rotation dudit fluide sur l'ensemble de l'espace annulaire (6). L'air de refroidissement est introduit par la tubulure (5) de diamètre Dc= 52 mm, située à une distance de 50 mm du début du dispositif ( X=0), et perpendiculaire à l'axe X du dispositif.
  • Le cas sans dispositif correspond à l'absence d'injection d'air de refroidissement. La température moyenne de la veine gazeuse est alors de: 1900°C.
  • Le cas avec dispositif correspond à l'injection d'air de refroidissement dans l'espace annulaire (6) compris entre le conduit de diamètre Di et l'enveloppe externe de diamètre De. La température moyenne de la veine gazeuse après mélange avec le fluide de refroidissement est alors de 700°C. La température en paroi est de plus toujours inférieure à 580 °C.
  • Les figures 2 et 3 présentent les résultats de simulations numériques réalisées à l'aide d'un code de mécanique des fluides, la veine gazeuse chaude étant générée par un brûleur in-situ de diamètre di= 78 mm.
  • La figure 2 correspond à un profil comparatif avec le dispositif (courbe en traits pleins) et sans le dispositif (courbe en traits pointillés), le plan des relevés étant le plan de coupe situé à l'entrée du convergent ( X= L1).
  • La figure 3 correspond à un profil comparatif avec le dispositif ( courbe en traits pleins) et sans le dispositif (courbe entraits pointillés), le plan des relevés étant le plan de coupe situé à l'extrémité de sortie du dispositif (X=L1+Lc+L2).
  • On constate qu'avec le dispositif, le profil radial de température présente aux parois une zone refroidie à l'intérieur de laquelle la température est d'environ 300°C, zone qui n'existe pas sans le dispositif où la température dans la zone de paroi est d'environ 1600°C.
  • Cet effet de refroidissement aux parois permet d'utiliser une métallurgie en acier ordinaire sur les parois (4) et (2) constituant le dispositif.
  • On observe de plus sur la figure 3 que le profil radial est homogène au sens où l'écart de température entre le centre (T= 730°C) et les parois (T= 550°C) est inférieur à 35 %.
  • Il convient de noter que ce niveau d'homogénéité en sortie du dispositif est difficile à réaliser compte tenu qu'une des fonctions du dispositif est de créer en permanence une zone de température dite "de paroi" inférieure à 500°C, de manière à protéger les parois correspondantes dudit dispositif.
  • La performance d'homogénéité du profil radial de température en sortie du dispositif doit s'apprécier en tenant compte du second objectif que permet de réaliser le dispositif selon l'invention qui est la création d'une zone de paroi "froide".
  • Les figures 4 et 5 représentent des cartographies isotempérature et permettent de visualiser le champs de température avec et sans le dispositif.
  • La figure 4, (sans le dispositif), fait apparaître un étalement des courbes isotempérature notamment autour de la zone conique (2), alors que sur la figure 5 (avec le dispositif) on observe un très net resserrement des courbes isotempérature qui se trouvent concentrées dans un pinceau cylindrique approximativement aligné avec le tube de flamme.
  • Cet effet de resserrement est particulièrement intéressant puisqu'il permet de confiner la veine chaude tout en maintenant une zone de paroi froide.

Claims (10)

  1. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit intérieur (4) de diamètre Di et s'écoulant sensiblement selon l'axe du dispositif, ledit dispositif comportant:
    - une enceinte cylindrique (1) de diamètre De entourant le conduit de diamètre Di sur une longueur L1,
    - une partie conique convergente (2) de longueur Lc permettant de passer du diamètre De au diamètre Ds strictement inférieur à De,
    - un conduit cylindrique (3) de diamètre Ds s'étendant sur une longueur L2, caracterisé en ce que ledit dispositif comporte
    - au moins une conduite d'amenée (5) d'un fluide de refroidissement de diamètre Dc située sensiblement perpendiculairement à la direction de l'axe dudit dispositif, et permettant d'alimenter en fluide de refroidissement la partie annulaire (6) comprise entre l'enceinte cylindrique externe (1) et le conduit interne (4), le dispositif respectant les proportions suivantes:
    - L1/Di compris entre 0,5 et 2 et préférentiellement compris entre 1 et 2
    - Lc/Di compris entre 0,5 et 5 et préférentiellement compris entre 0,6 et 2
    - L2/Di compris entre 1,5 et 10 et préférentiellement compris entre 2 et 5
    - Dc/Di compris entre 0,1 et 0,4 et préférentiellement compris entre 0,2 et 0,3
    - De/Di compris entre 1 et 5 et préférentiellement compris entre 1 et 2.
  2. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit (4) de diamètre Di selon la revendication 1, dans lequel la conduite d'amenée (5) du fluide auxiliaire est située à une distance d de la section d'entrée du dispositif, d/Di étant supérieur à 0,1.
  3. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit (4) de diamètre Di selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel le conduit intérieur (4) contient un brûleur s'étendant approximativement sur une longueur égale à (L1)/2.
  4. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit (4) de diamètre Di selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'enceinte cylindrique (1) de diamètre De est en acier ordinaire.
  5. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenu dans un conduit (4) de diamètre Di selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lorsque la veine chaude est générée par un brûleur in situ, la longueur du tube de flamme contenant ledit brûleur est comprise entre 0,5 L1 et 0,8 L1.
  6. Dispositif axisymétrique de contrôle de la température d'une veine gazeuse chaude contenue dans un conduit (4) de diamètre Di selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel une grille (8) est disposée dans l'espace annulaire (6) dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du dispositif à une distance comprise entre L1/4 et L1/2.
  7. Procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le fluide de refroidissement est injecté à une vitesse moyenne comprise entre 5 m/s et 80 /ms, et préférentiellement comprise entre 10m/s et 30 m/s.
  8. Procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le fluide de refroidissement est de l'air à température ambiante, mis en rotation dans un plan perpendiculaire à l'axe du dispositif.
  9. Procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la veine gazeuse au niveau de la partie conique (2) du dispositif présente une zone de paroi à l'intérieur de laquelle - la température est comprise entre 200°C et 500°C.
  10. Procédé de refroidissement d'une veine gazeuse chaude au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la veine gazeuse en sortie du dispositif présente un profil radial de température homogène dans toute sa section, c'est à dire avec un écart de température entre la température au centre et la température aux bords inférieur à 35%.
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