FR2651860A1 - Procede et installation pour la recuperation intensive de la chaleur de milieux fluides a temperature elevee, ainsi que des particules en suspension eventuellement presentes dans de tels milieux fluides. - Google Patents
Procede et installation pour la recuperation intensive de la chaleur de milieux fluides a temperature elevee, ainsi que des particules en suspension eventuellement presentes dans de tels milieux fluides. Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour la récupération de la chaleur physique et des particules en suspension de milieux fluides à température élevée, tels que des gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, caractérisé en ce que, dans le but d'une intensification du transfert de chaleur et de l'augmentation du degré de rétention des particules en suspension desdits gaz chauds, on soumet ces derniers à un refroidissement par voie sèche avec de l'eau de telle manière à d'une part, faire apparaître dans une partie des gaz une (ou des) couche(s) thermique(s) tourbillonnaire-quasicompressible(s) et d'autre part, concentrer les particules en suspension par unité de volume de gaz, au cours du processus de refroidissement et réaliser un rapport optimal entre le poids spécifique des particules en suspension et le poids spécifique des gaz. Elle comprend également une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Description
La présente invention concerne un procédé et une installation pour la
récupération intensive de la chaleur de milieux fluides à température élevée, ainsi que des particules en suspension
éventuellement présentes dans de tels milieux fluides.
On connait des procédés de récupération de la chaleur de milieux fluides à température élevée, par exemple des gaz chauds, résiduaires, technologiques ou énergétiques qui contiennent des particules en suspension, dont la mise en oeuvre nécessite trois groupes d'installations: - des chaudières à récupération à tubes d'eau, dont le rôle est de refroidir les gaz poussiéreux chauds et de produire un agent thermique, à savoir de l'eau chaude, de l'eau surchauffée ou des vapeurs; - des installations pour la production d'air comprimé à 20-25 at (environ 20,3 à 25,3.105 Pa), nécessaire à l'élimination de la poussière déposée dans les tubes des chaudières; - des installations pour le dépoussiérage des gaz refroidis, débités par la chaudière (filtres électrostatiques, filtres à manches, etc...). Ces procédés présentent cependant les inconvénients suivants: - investissements élevés, nécessaires pour les trois groupes d'installations, sans lesquelles le système ne fonctionne pas; - dépenses d'exploitation élevées, exigées par la production de l'air comprimé, ainsi que par les travaux d'entretien et de réparation de tout le système; - fréquentes détériorations des chaudières par suite des effets de colmatage des tubes par la poussière (la purge à l'air comprimé est réalisée par intermittences et pendant les périodes s'écoulant entre deux purges, la poussière déposée colmate les tubes de la chaudière); - à cause des effets de colmatage, le transfert de la chaleur du gaz à l'eau est faible; - au cours de la purge à l'air comprimé froid dans les tubes chauds, le transfert de la chaleur est affecté; - détérioration rapide des tubes soumis aux chocs thermiques répétés par les opérations de purge à l'air froid; - fréquents engorgements, à cause de la poussière, du système de vaporisation des chaudières, ce qui conduit à des phénomènes de surchauffe et de perforation des tubes et à la mise hors service des chaudières; - instabilité thermique au cours du fonctionnement due aux variations de la température et du débit des gaz des sources
caloriques.
Le procédé, conformément à l'invention, qui est fondé sur une nouvelle théorie de la physique, en thermogazodynamique, "LA THEORIE DE LA COUCHE THERMIQUE TOURBILLONNAIRE-QUASICOMPRESSIBLE", élimine les inconvénients mentionnés ci-dessus, en ce que, dans le but de la récupération intensive de la chaleur de milieux fluides à température élevée, ainsi que des particules en suspension éventuellement présentes dans de tels milieux fluides, ces derniers étant par exemple des gaz chauds, résiduaires, technologiques ou énergétiques, il utilise, principalement, d'une façon simultanée et différenciée, deux nouveaux effets thermogazodynamiques, découverts par la Demanderesse. Il s'agit de: - l'effet de transfert intensif de la chaleur du gaz à l'eau, au cours du processus de refroidissement par voie sèche des gaz chargés de particules minérales en suspension par l'apparition dans une partie du gaz d'une couche thermique tourbillonnaire-quasicompressible à frontières limitées, et de - l'effet d'augmentation du degré de rétention des particules en suspension dans le champ thermogravitationnel des gaz de la couche thermique tourbillonnairequasicompressible, grâce au refroidissement
par voie sèche de celle-ci.
Ces effets thermogazodynamiques sont produits par
l'intermédiaire d'installations de chaudières inertielles à turbo-
récupération de la chaleur et de la poussière minérale des gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques (voir figures 1-5 et 7), qui ont la possibilité de produire successivement, soit de l'eau chaude, soit de l'eau surchauffée, soit des vapeurs d'eau à basse, moyenne et haute pression, par suite du transfert intensif de la chaleur du gaz à l'eau, réalisé par les surfaces de dispositifs tourbillonnaires (voir figure 6) disposés suivant une ou plusieurs rangées concentriques et montés en série ou en parallèle, par les surfaces de tubes disposés en amont par rapport aux dispositifs tourbillonnaires (dont le but est de diminuer le volume physique des gaz chauds destinés au traitement dans les dispositifs tourbillonnaires et d'augmenter la concentration des particules en suspension par unité de volume des gaz, au cours de leur processus de pré-refroidissement, en vue de l'augmentation du degré de rétention des particules en suspension dans les dispositifs tourbillonnaires), par les surfaces de groupes de faisceaux de tubes montés de façon concentrique après les dispositifs tourbillonnaires, ainsi que par les surfaces de faisceaux de tubes disposés suivant une ou plusieurs rangées concentriques, en série, par l'intermédiaire de collecteurs-distributeurs supérieurs ayant la forme générale d'un tore et de collecteurs-distributeurs inférieurs de type trémie, les particules en suspension retenues par les dispositifs tourbillonnaires étant amenées par gravité dans une trémie centrale d'o, par l'intermédiaire d'un doseur cellulaire (dont le rôle est d'isoler du milieu environnant l'espace en état de dépression de la chaudière), elles sont réintroduites dans le circuit technologique et les particules restantes du gaz après traitement dans les dispositifs tourbillonnaires, étant véhiculées par les faisceaux de tubes disposés concentriquement suivant une ou plusieurs rangées puis amenés par gravité dans des chambres de type trémie avant d'être réintroduites, par l'intermédiaire d'autres doseurs cellulaires, dans
le circuit technologique.
On décrit ci-après 7 modes de réalisation de l'invention, en relation avec les dessins annexés dont: - la figure 1 représente une chaudière inertielle à turborécupération de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds résiduaires ou technologiques, pour la production d'eau chaude, d'eau surchauffée ou de vapeurs d'eau, comprenant un réchauffeur primaire, une série de dispositifs tourbillonnaires, des réchauffeurs secondaires, un réchauffeur final à trois rangées de tubes, une plaque tubulaire inférieure et une trémie à double enveloppe; - la figure 2 représente une chaudière inertielle à turborécupération de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds, pour la production de vapeurs d'eau technologiques ou énergétiques, comprenant un réchauffeur primaire, deux séries de dispositifs tourbillonnaires, un réchauffeur final avec une rangée de tubes, une trémie à double enveloppe et un couvercle inférieur ellipsoidal; - la figure 3 représente une chaudière à turborécupération de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds pour la production de vapeurs d'eau technologiques ou énergétiques, comprenant un préchauffeur turbo-inertiel d'eau et une circulation hydraulique naturelle de l'eau dans le vaporisateur; - la figure 4 représente une chaudière inertielle à turborécupération de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds pour la production de vapeurs d'eau technologiques ou énergétiques, comprenant un préchauffeur turbo-inertiel d'eau et un tambour séparateur de vapeurs; la figure 5 représente une chaudière inertielle à turboréaction de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds pour la production de vapeurs d'eau technologiques ou énergétiques, comprenant plusieurs vaporisateurs, un préchauffeur à turborécupération d'eau et un tambour séparateur de vapeurs; - la figure 6 représente un dispositif tourbillonnaire à échelle agrandie, pour le transfert intensif de la chaleur et la purification intensive des particules minérales en suspension des gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques traités dans les chaudières inertielles à turborécupération; et - la figure 7 représente une chaudière inertielle à turborécupération de la chaleur et de la poussière minérale utile des gaz chauds pour la production de vapeurs d'eau énergétiques à moyenne
ou haute pression.
Premier mode de réalisation de l'invention Selon l'invention et conformément à la figure 1, les gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, destinés à être soumis au processus de récupération de la chaleur physique et de récupération des particules en suspension, sont admis dans l'installation par la conduite 1, et plus précisément dans le préchauffeur primaire 2 de l'eau de la chaudière, o les gaz chauds se refroidissent partiellement, ce qui conduit à la diminution de leur volume physique et à la réalisation d'une augmentation de la concentration des particules en suspension par unité de volume des gaz pré-refroidis. Ces deux phénomènes, engendrés par le pré-refroidissement des gaz chauds (diminution du volume physique des gaz et augmentation de la concentration des particules en suspension), permettent d'une part, la diminution du nombre de dispositifs tourbillonnaires du système et respectivement, l'optimisation de la grandeur des surfaces de transfert tourbillonnaire de la chaleur, du gaz chaud à l'agent thermique, par exemple de l'eau, et d'autre part, en particulier par l'augmentation de la concentration spécifique des suspensions par unité de volume des gaz, la possibilité d'intensifier le transfert de la chaleur du gaz à l'eau, en régime de couche thermique tourbillonnaire-quasicompressible, réalisé dans les gaz chauds, ainsi que la possibilité d'augmentation du degré de rétention des particules en suspension dans le champ thermogravitationnel des gaz appartenant aux couches tourbillonnaires-quasicompressibles. Du réchauffeur primaire de l'eau de la chaudière 2, les gaz chauds prérefroidis passent dans le distributeur central de gaz 3, d'o ils sont ensuite distribués dans les dispositifs tourbillonnaires 4 disposés suivant une seule rangée concentrique, par rapport à l'axe vertical de la chaudière. Dans les dispositifs tourbillonnaires 4, les gaz chauds subissent deux transformations: un refroidissement intensif par cession de chaleur à l'agent réfrigérant, par exemple de l'eau, grâce à l'effet de couche thermique-quasicompressible, ainsi qu'une purification thermomécanique poussée des particules en suspension présentes, grace à l'effet de rétention intensive des particules en suspension dans le champ thermogravitationnel fondé aussi bien sur la concentration des particules en suspension par unité de volume de gaz (à cause du phénomène de refroidissement du gaz) que sur la réalisation d'un rapport optimal entre le poids spécifique de la particule en
suspension et le poids spécifique du gaz.
Les gaz intensivement pré-refroidis et débarrassés des particules en suspension passent des dispositifs tourbillonnaires 4 aux réchauffeurs secondaires 5 de l'eau de la chaudière, ces derniers étant en nombre égal à celui des dispositifs tourbillonnaires 4. Dans ces réchauffeurs, les gaz continuent à se refroidir en cédant leur chaleur à l'agent réfrigérant, à savoir de l'eau. Puis, les gaz passent dans la chambre primaire 6 du collecteur du distributeur en forme de tore de gaz chaud et traversent ensuite la première rangée de tubes descendants concentriques 7 du réchauffeur tertiaire de l'eau de la chaudière, par lesquels des particules solides rémanentes sont déchargées par inertie dans la chambre de type trémie 8; les gaz se séparant desdites particules rémanentes dans cette chambre, passent par la seconde rangée de tubes ascendants concentriques 9, appartenant au réchauffeur tertiaire de l'eau de la chaudière, pour parvenir dans la chambre secondaire 10 du collecteur distributeur de gaz chaud; ensuite, les gaz sont véhiculés dans la troisième rangée de tubes descendants concentriques 11 du réchauffeur tertiaire de l'eau de la chaudière, à partir desquels les gaz refroidis sont déchargés dans le collecteur
final 12, puis dans la chambre d'échappement.
Les sous-ensembles dont les surfaces transmettent la chaleur physique du gaz à l'agent réfrigérant (référencés 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 et 11) sont immergés dans de l'eau, dans le corps 13 de la chaudière, délimité à sa partie inférieure par la plaque tubulaire 14 et à sa
partie supérieure par le dôme 15.
Le transfert de la chaleur des gaz chauds à l'eau présente à l'intérieur du corps de la chaudière, rend possible la réalisation de cette chaudière soit comme générateur d'eau chaude ou de vapeurs d'eau à basse pression et de vapeurs d'eau à moyenne pression, soit comme générateur d'eau surchauffée et de vapeurs d'eau à haute pression, qui peuvent être détendues dans une turbine, afin d'obtenir de l'énergie mécanique à l'arbre moteur ou de l'énergie électrique aux bornes d'un
générateur couplé à l'axe de la turbine.
Le corps 13 de la chaudière est pourvu d'un raccord d'alimentation 16 d'eau, d'un raccord 17 pour les vapeurs, et pour le cas o la chaudière est destinée à fonctionner pour produire de l'eau chaude ou surchauffée, celle-ci est pourvue d'un raccord de recirculation 18 d'eau chaude ou surchauffée, ainsi que d'un raccord d'extraction 19 de l'eau chaude ou surchauffée. Dans la plaque tubulaire 14, est prévu un tuyau de purge 20. La chaudière est encore pourvue, en vue de son exploitation comme générateur de vapeurs, de soupapes de sûreté, d'une boucle de régulation automatique du débit d'alimentation d'eau, d'un indicateur de niveau, de systèmes de protection et d'avertisseur pour prévenir l'atteinte du niveau minimum et maximum de l'eau dans le corps de la chaudière et de systèmes de protection et d'avertisseur pour prévenir l'atteinte du niveau minimum
et respectivement du niveau maximum de l'eau dans la chaudière.
Les particules solides résultant du processus de concentration et d'agglomération thermique et de séparation mécanique dans les dispositifs tourbillonnaires 4, sont évacuées par gravité dans la trémie 21, d'o, par l'intermédiaire du canal 22, elles passent dans un doseur cellulaire (non représenté), dont le rôle est d'isoler l'intérieur de la trémie 21 de l'atmosphère; du doseur cellulaire, les particules solides sont réintroduites dans le circuit technologique de l'usine. Les particules solides restées en suspension dans les gaz après leur traitement dans les dispositifs tourbillonnaires 4 et les réchauffeurs 5, retrouvées dans la première rangée de tubes descendants 7, sont déchargées par inertie de ces tubes dans la chambre de type trémie 8, d'o, par l'intermédiaire d'un doseur cellulaire (non représenté), dont le rôle est d'isoler de l'atmosphère l'intérieur de la chambre de type trémie 8, elles sont réintroduites dans le circuit
technologique de l'usine.
Les particules solides restées en suspension dans les gaz dans le distributeur central de gaz 3, après l'aspiration des gaz par les dispositifs tourbillonnaires 4, sont collectées par gravité dans la trémie 23, d'o, par l'intermédiaire du canal 24 et d'un doseur cellulaire (non représenté), dont le rôle est d'isoler de l'atmosphère l'intérieur de la trémie 23, elles sont réintroduites dans le circuit
technologique de l'usine.
Les dilatations thermiques des éléments composant la chaudière sont transmises par des compensateurs lenticulaires axiaux de dilatation 25 et 26, pourvus d'écrans pulsatoires cylindriques intérieurs de protection, afin d'éviter le dépôt de particules solides
dans les espaces lenticulaires.
Second mode de réalisation de l'invention Selon l'invention et conformément à la figure 2, les gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, destinés à être soumis au processus de récupération de la chaleur physique et de récupération des particules en suspension, sont admis dans l'installation par la conduite 1 et plus précisément dans le réchauffeur primaire (2) de l'eau de la chaudière, pourvu de surfaces d'entrée et de sortie des gaz ayant une forme ellipsoidale; dans le réchauffeur primaire 2 de l'eau de la chaudière, les gaz chauds se refroidissent partiellement, ce qui conduit à la diminution de leur volume physique et à la réalisation d'une augmentation de la concentration des particules en suspension par
unité de volume des gaz pré-refroidis.
Du réchauffeur primaire 2, les gaz chauds pré-refroidis passent dans le distributeur central 3, d'o ils sont distribués dans la première rangée de dispositifs tourbillonnaires 4, disposés concentriquement par rapport à l'axe vertical de la chaudière. Ensuite, les gaz passent de la première rangée de dispositifs tourbillonnaires à la seconde rangée de dispositifs tourbillonnaires 4', disposés eux aussi concentriquement par rapport à l'axe vertical de la chaudière et ayant un diamètre diminué par rapport au diamètre des dispositifs
tourbillonnaires 4.
Les gaz intensivement refroidis et débarrassés des particules en suspension, passent des dispositifs tourbillonnaires 4' dans le collecteur distributeur 6 ayant la forme générale d'un tore, puis dans le réchauffeur secondaire 7' comportant une seule rangée de tubes disposés concentriquement par rapport à l'axe vertical de la chaudière, réchauffeur secondaire à partir duquel les gaz refroidis de la chaudière sont envoyés dans le collecteur final 12, puis dans la chambre d'échappement. Le réchauffeur secondaire 7' comportant une rangée de tubes descendants, a un double rôle: le rôle de refroidisseur final du gaz véhiculé dans la chaudière et le rôle d'écran thermique entre la zone au voisinage immédiat de l'enveloppe de la chaudière et l'eau chaude ou bouillante, ou l'émulsion eau-vapeur
produite dans la chaudière.
Les sous-ensembles dont les surfaces transmettent la chaleur physique du gaz à l'agent réfrigérant (référencés 1,2,3,4,4',6,7') sont immergés dans de l'eau présente à l'intérieur du corps 13 de la chaudière délimité à la partie inférieure par le couvercle ellipsoidal
14' et à la partie supérieure par le dome 15.
Le transfert de la chaleur des gaz chauds à l'eau présente dans le corps de la chaudière rend possible la réalisation de cette chaudière soit comme générateur d'eau chaude ou de vapeurs d'eau à basse pression ou à moyenne pression, soit comme générateur d'eau surchauffée et de vapeurs à haute pression pouvant être détendues dans une turbine, afin d'obtenir de l'énergie mécanique à l'arbre moteur ou de l'énergie électrique aux bornes d'un générateur couplé à l'axe de la turbine. Le corps 13 de la chaudière est pourvu d'un raccord d'alimentation 16 d'eau, d'un raccord 17 pour les vapeurs et pour le cas o la chaudière est destinée à fonctionner pour produire de l'eau chaude ou surchauffée, celle-ci est en outre pourvue d'un raccord de recirculation 18 de l'eau chaude ou surchauffée, ainsi que d'un raccord
d'extraction 19 de l'eau chaude ou surchauffée.
Dans le couvercle inférieur ellipsoidal 14' du corps 13 de la
chaudière, est prévu un tuyau de purge 20.
En vue de l'exploitation de la chaudière comme générateur de vapeurs, celle-ci est pourvue de soupapes de sûreté, d'une boucle de régulation du débit d'alimentation d'eau, d'un indicateur de niveau, de systèmes de protection et d'avertisseur pour le niveau minimum et maximum de l'eau dans le corps de la chaudière, des systèmes de protection et d'avertisseur pour prévenir l'atteinte du niveau minimum
et du niveau maximum de l'eau dans la chaudière.
Les particules solides résultant du processus de séparation mécanique dans les dispositifs tourbillonnaires 4, sont évacuées par gravité dans la trémie centrale 21, d'o, par l'intermédiaire du canal 22, elles passent dans un doseur cellulaire (non représenté) dont le rôle est d'isoler de l'atmosphère l'intérieur de la trémie 21; les particules solides du doseur cellulaire sont réintroduites dans le
circuit technologique de l'usine.
Les particules solides résultant du processus de concentration et d'agglomération thermique et du processus de séparation mécanique dans les dispositifs tourbillonnaires 4', sont évacuées par gravité par les conduites 27, dans la chambre de type trémie 8, d'o, par l'intermédiaire d'un doseur cellulaire (non représenté), dont le rôle est d'isoler de l'atmosphère l'intérieur de la chambre de type trémie 8, elles sont réintroduites dans le circuit technologique de l'usine; Les particules solides restées en suspension dans les gaz, dans le distributeur central 3 de gaz, après l'aspiration des gaz par les dispositifs tourbillonnaires 4, sont collectés par gravité dans la trémie 23, d'o, par l'intermédiaire du canal 24 et d'un doseur cellulaire (non représenté), dont le rôle est d'isoler de l'atmosphère l'intérieur de la trémie 23, elles sont réintroduites dans le circuit
technologique de l'usine.
Les dilatations thermiques des éléments composant la chaudière sont transmises par des compensateurs lenticulaires axiaux de dilatation 25, 28, 29, pourvus d'écrans pulsatoires cylindriques intérieurs de protection, afin d'éviter les dépôts de particules
solides dans les espaces lenticulaires des compensateurs.
Troisième mode de réalisation Un schéma technologique d'utilisation de la chaudière inertielle à turborécupération, selon l'invention, est présenté par la figure 3, o les gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, chargés de particules en suspension, sont refroidis convenablement dans une chaudière inertielle à turborécupération 30 (du type présenté sur la figure 1 ou 2) ayant un rôle de vaporisateur (refroidissement et séparation d'une grande partie des particules en suspension) puis admis dans un second dispositif inertiel à turborécupération 30' (du type présenté sur la figure 1 ou 2) ayant un rôle de préchauffeur d'eau, o les gaz subissent un refroidissement final par voie sèche et une élimination poussée par voie sèche des particules en suspension. Les gaz ainsi refroidis et purifiés sont
ensuite envoyés par un ventilateur 31 vers une cheminée d'évacuation.
La poussière minérale résultant du processus de purification par voie sèche des gaz et rassemblée dans les chambres de type trémie du vaporisateur 30 et du préchauffeur d'eau 30', est amenée à la ligne de collecte 32 de la poussière avant d'être réintroduite dans le
processus technologique.
L'eau d'alimentation passe du réservoir de condensation 33 vers une pompe 34, puis pénètre dans le préchauffeur d'eau 30' o elle est préchauffée; elle est ensuite envoyée au vaporisateur 30 par une conduite de jonction 35. Les vapeurs d'eau produites dans le vaporisateur 30 sont transportées par une conduite 36 au condenseur 37 o elles sont condensées avant d'être dirigées par une conduite 38 vers
le réservoir de condensation 33.
L'ensemble ainsi décrit est complété par des conduites 39 et 40 constituées par des tubes descendants extérieurs véhiculant le mélange de l'eau préchauffée et de l'émulsion eau-vapeur, ces conduites étant nécessaires pour la circulation naturelle de l'eau dans la chaudière 30. Quatrième mode de réalisation La figure 4 représente un autre schéma d'utilisation de la chaudière inertielle à turborécupération, o des gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, chargés de particules en suspension, sont amenés par une conduite "C" dans la chaudière inertielle à turborécupération 30' (du type présenté sur la figure i ou 2) ayant le rôle de générateur d'eau surchauffée, après quoi les gaz refroidis et débarrassés en grande partie des particules en suspension sont admis dans un second dispositif inertiel à turborécupération 30" (du type présenté sur la figure i ou 2) ayant le rôle de préchauffeur d'eau, o les gaz subissent un refroidissement final par voie sèche et un traitement de séparation poussée par voie sèche des particules en suspension. Les gaz ainsi refroidis et purifiés sont ensuite envoyés
par un ventilateur 31 vers une cheminée d'évacuation.
La poussière minérale résultant du processus de purification par voie sèche des gaz rassemblée dans les chambres de type trémie du générateur d'eau surchauffée 30' et du préchauffeur d'eau 30", est amenée à la ligne de collecte 32 de la poussière, avant d'être
réintroduite dans le processus technologique.
L'eau d'alimentation du système passe du réservoir de condensation 33 vers la pompe 34, puis pénètre dans le préchauffeur d'eau 30" o elle est préchauffée; elle est ensuite envoyée par une conduite 41 dans un tambour séparateur 42. Les vapeurs d'eau séparées dans le tambour séparateur 42 sont transportées par la conduite 43 au condenseur 37, o elles se condensent, avant d'être dirigées par la
conduite 38 vers le réservoir de condensation 33.
La circulation de l'eau dans le générateur d'eau surchauffée est assurée par un circuit comprenant une conduite d'aspiration 45 issue du tambour séparateur 42 et se terminant à l'aspiration d'une pompe 44 de circulation, la pompe 44 et une conduite de refoulement 46
issue de ladite pompe 44 et se terminant dans le tambour séparateur 42.
L'ensemble ainsi décrit est complété par des conduites 47, 48 et 49 qui constituent respectivement un tuyau de purge en cas d'avarie, un tuyau de purge intermittente et un tuyau de purge continue du tambour
séparateur 42.
Cinquième mode de réalisation La figure 5 représente un autre schéma d'utilisation de la chaudière inertielle à turborécupération selon l'invention, o les gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, chargés de particules en suspension, sont amenés par la conduite "C" dans les chaudières inertielles à turborécupération 30' (construites selon le modèle des chaudières présentées sur la figure 1 ou 2), ayant le rôle de générateurs d'eau surchauffée, après quoi les gaz traités dans ces générateurs thermiques, refroidis et débarrassés en grande partie des particules en suspension, passent dans un autre dispositif inertiel à turborécupération 30" (construit selon le modèle des chaudières représentées sur la figure 1 ou 2) ayant le rôle de préchauffeurs d'eau, o les gaz subissent un refroidissement final par voie sèche et
une séparation par voie sèche poussée des particules en suspension.
Les gaz ainsi refroidis et purifiés sont ensuite envoyés par un
ventilateur 31 vers une cheminée d'évacuation.
La poussière résultant du processus de purification par voie sèche des gaz rassemblée dans les chambres de type trémie des générateurs d'eau surchauffée 30' -n et du préchauffeur d'eau 30", est amenée ensuite à la ligne de collecte 32, d'o elle est réintroduite
dans le processus technologique.
L'eau d'alimentation est prélevée d'un réservoir de condensation 33 par la pompe 34, puis elle parvient dans le préchauffeur 30", d'o, une fois préchauffée, elle est ensuite renvoyée
par la conduite 41 au tambour séparateur 42.
Par ailleurs, l'eau surchauffée produite par les générateurs d'eau surchauffée 30' -_ est également amenée dans le tambour 1 -n
séparateur 42 par la conduite 46.
L'eau séparée de l'émulsion eau-vapeur dans le tambour séparateur 42, est aspirée par l'intermédiaire de la conduite 45 dans la pompe de circulation 44 qui alimente, par une conduite 50, les
générateurs 3' -n d'eau surchauffée.
Les vapeurs séparées dans le tambour séparateur 42 sont transportées par la conduite 43 au condenseur 37, o elles sont condensées, les condensats étant ensuite dirigés par la conduite 38
vers le réservoir de condensation 33. L'ensemble ainsi décrit est complété par des conduites 47, 48, 49 qui
constituent respectivement un tuyau de purge en cas d'avarie, un tuyau de purge intermittente et un tuyau de purge continue du tambour
séparateur 42.
Sixième mode de réalisation Conformément à l'invention, le dispositif tourbillonnaire représenté à plus grande échelle sur la figure 6, immergé dans un milieu réfrigérant pour réaliser un transfert intensif de la chaleur des gaz résiduaires chauds, technologiques ou énergétiques et une séparation intensive des particules minérales en suspension dans ces gaz, ces derniers étant traités dans les chaudières inertielles à turborécupération (référencé 4' sur la figure 2), est un dispositif qui réalise, dans les conditions des chaudières inertielles à turborécupération, l'effet de transfert intensif de la chaleur du gaz à l'eau, au cours du processus de refroidissement par voie sèche des gaz, par l'apparition dans une partie du gaz de couches thermiques tourbillonnaires-quasicompressibles, ainsi que l'effet de rétention poussée des particules en suspension dans le champ thermogravitationnel, fondé sur la concentration des particules en suspension par unité de volume du gaz, grâce au phénomène de refroidissement du gaz et sur la réalisation d'un rapport optimal entre le poids spécifique des particules en suspension et le poids spécifique
du gaz.
Comme le montre la figure 6, les gaz chauds sont admis dans le dispositif tourbillonnaire par l'ajutage 51 présentant une section rectangulaire et disposé suivant un angle inférieur à 90 dans l'espace
situé entre deux conduites circulaires concentriques 52, 53.
En raison des forces d'inertie, des forces centrifuges et des forces de gravitation qui se développent dans l'espace situé entre les
deux conduites 52, 53, il se crée une couche thermique tourbillonnaire-
quasicompressible, qui véhicule vers la partie inférieure tronconique 54 du dispositif tourbillonnaire, conçue de telle manière que le tourbillon revient par son centre tout en déposant à sa partie inférieure les particules en suspension, le gaz refroidi et déchargé de poussière étant dirigé par la conduite intérieure 53 dans le collecteur 6 ayant la forme générale d'un tore de la chaudière à turborécupération
(conforme à la figure i ou 2).
Pendant le transfert thermique engendré dans les chaudières inertielles à turborécupération, la conduite extérieure 52 du dispositif tourbillonnaire joue le rôle d'organe de turbo-transfert intensif de chaleur du gaz à l'eau du corps de la chaudière, alors que la conduite intérieure 53 du dispositif tourbillonnaire joue le rôle de turbo- modérateur de chaleur au cours du processus de refroidissement du gaz. Septième mode de réalisation Conformément à la figure 7, les gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, destinés à être traités en vue de la récupération de la chaleur physique et de la récupération des particules en suspension, sont admis dans l'installation par la conduite 1, et plus précisément dans le surchauffeur de vapeurs 55, o ils sont partiellement refroidis, ce qui conduit à la diminution de leur volume physique et à la réalisation d'une augmentation de la concentration des particules en suspension par unité de volume des gaz pré-refroidis. Ces deux phénomènes, la diminution du volume physique des gaz et l'augmentation de la concentration des particules en suspension (produits à la suite du pré-refroidissement des gaz), permettent la diminution du nombre d'éléments tourbillonnaires pour le traitement des gaz dans l'installation et partant l'optimisation de la grandeur des surfaces de transfert de chaleur (du gaz chaud à l'agent réfrigérant, par exemple de l'eau); ils permettent en outre, en particulier grâce à l'augmentation de la concentration spécifique des particules en suspension par unité de volume des gaz, la possibilité d'intensifier le transfert de chaleur du gaz à l'eau, en régime de couche thermique tourbillonnaire- quasicompressible réalisée par les gaz chauds, et la possibilité d'augmenter le degré de rétention des particules en suspension. Les gaz chauds pré-refroidis passent du surchauffeur 55, dans le distributeur central de gaz 3, d'o ils sont ensuite distribués dans les dispositifs tourbillonnaires 4, disposés suivant une seule rangée ou plusieurs rangées concentriquement par rapport à l'axe vertical de
la chaudière.
Dans les dispositifs tourbillonnaires 4, les gaz chauds subissent deux transformations: un refroidissement intensif, par la cession de chaleur vers l'agent réfrigérant, par exemple de l'eau, et
une séparation thermomécanique poussée des particules en suspension.
Les dispositifs tourbillonnaires 4 sont immergés dans le corps 13 qui joue le rôle de pré-vaporisateur à une pression égale ou
inférieure à celle du vaporisateur 57.
A partir des dispositifs tourbillonnaires, les gaz partiellement refroidis et débarrassés de particules en suspension sont véhiculés par les tubes coudés 56 dans les canaux concentriques Cl, C2 et C3 d'un vaporisateur 57 à moyenne, respectivement à haute pression, d'o, complètement refroidis et purifiés, ils sont aspirés par le canal
12 ayant la forme générale d'un tore puis évacués vers une cheminée.
Le pré-vaporisateur 13 est alimenté à sa partie supérieure par de l'eau d'un dégazeur (non représenté sur la figure 7), par
l'intermédiaire de la pompe 58 et de la conduite 59.
L'eau surchauffée produite par le pré-vaporisateur est aspirée de la moitié supérieure du corps 13 par un système de conduites 60, uniformément distribuées par rapport à l'axe vertical du vaporisateur 13, puis véhiculée par l'intermédiaire de la conduite 61 à la pompe à haute pression 62, qui débite l'eau surchauffée dans le tambour
séparateur 63.
Du tambour séparateur 63, l'eau est aspirée dans le vaporisateur 57 par l'intermédiaire de la pompe de circulation 64 et
des collecteurs toroidaux inférieurs 65 et 66.
Les surfaces de transfert thermique du vaporisateur 57 se composent principalement de deux parois-membranes verticales 67 et 68 et de plusieurs parois-membranes disposées circulairement et concentriquement par rapport à l'axe de la chaudière, ainsi que d'un nombre approprié de groupes de tubes verticaux P1...P2alimentés par
les mêmes collecteurs toriques 65 et 66.
L'émulsion eau-vapeur formée dans le vaporisateur est collectée dans les collecteurs toriques supérieurs 69 et 70, d'o elle passe
ensuite dans la partie supérieure du tambour séparateur 63.
La vapeur saturée, séparée dans le tambour 63, est véhiculée vers le surchauffeur 55, la vapeur surchauffée étant évacuée de la
chaudière par la conduite 71 vers le lieu d'utilisation.
Les particules minérales solides séparées des gaz après leur traitement dans les dispositifs tourbillonnaires 4, se déposent par gravité dans la trémie centrale 21, d'o, par l'intermédiaire d'un doseur cellulaire (non représenté), elles sont distribuées dans le
circuit technologique de l'usine.
Les particules minérales solides restées en suspension dans le gaz, après que les gaz aient traversé les dispositifs tourbillonnaires 4, retrouvées dans le canal C1 (passage descendant des gaz du vaporisateur 57), sont dirigées par inertie dans la seconde trémie 8, d'o, par l'intermédiaire d'un doseur cellulaire (non représenté),
elles sont réintroduites dans le circuit technologique de l'usine.
Les particules minérales solides déposées par gravité dans la trémie 23 du distributeur central des gaz 3, sont évacuées par le canal 24 vers un doseur cellulaire, d'o elles sont ensuite réintroduites dans le circuit technologique de l'usine. La chaudière est de plus pourvue d'un équipement adéquat de mesure, de contrôle et de protection. Le procédé et les installations, conformes à l'invention, présentent les avantages suivants: - réalisation simultanée de trois services, à savoir la récupération de la chaleur des gaz chauds, la récupération de la poussière minérale des gaz chauds et la dépollution du milieu environnant; - réalisation de trois fonctionnalités successives avec la même installation: la production d'eau chaude, 25. la production d'eau surchauffée, À la production de vapeurs d'eau à basse, moyenne et haute pression, - investissements réduits pour la chaudière grâce aux facteurs suivants: 30.) un coefficient de transfert de la chaleur élevé, donc une une surface réduite de la chaudière et une consommation réduite de métal; dans les conditions de cette invention,
par les dispositifs tourbillonnaires, le coefficient glo-
bal de transfert de la chaleur du gaz à l'eau, est 10 à 15 fois supérieur à celui des dispositifs à tubes classiques, ) on élimine les investissements afférant à la station de compression à 25 at. (environ 25, 3.105 Pa) pour évacuer la
poussière des tubes, la chaudière ayant un système auto-
nettoyant, 5.) on réduit ou élimine les investissements afférant au système de purification du gaz post-chaudière parce que la chaudière possède un système d'autopurification; - dépenses d'exploitation réduites; - stabilité, élasticité et sûreté de l'installation en cours de l'exploitation; la chaudière ne peut pas s'engorger sous l'effet de la poussière; et - possibilité d'association de plusieurs chaudières inertielles à turborécupération avec diverses variantes d'utilisation, en fonction
des nécessités.
Claims (2)
1. Procédé pour la récupération de la chaleur physique et des particules en suspension de milieux fluides à température élevée, tels que des gaz chauds résiduaires, technologiques ou énergétiques, caractérisé en ce que, dans le but d'une intensification du transfert de chaleur et de l'augmentation du degré de rétention des particules en suspension desdits gaz chauds, on soumet ces derniers à un refroidissement par voie sèche avec de l'eau de telle manière à d'une part, faire apparaître dans une partie des gaz une (ou des) couche(s) thermique(s) tourbillonnairequasicompressible(s) et d'autre part, concentrer les particules en suspension par unité de volume de gaz, au cours du processus de refroidissement et réaliser un rapport optimal entre le poids spécifique des particules en suspension et le poids
spécifique des gaz.
2. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une chaudière inertielle à turborécupération (1) comportant un réchauffeur primaire (2) de l'eau o les gaz chauds sont partiellement refroidis, ce qui conduit à la diminution du volume physique desdits gaz et à l'augmentation de la concentration des particules en suspension par unité de volume des gaz prérefroidis; un distributeur central (3) des gaz partiellement refroidis; des dispositifs tourbillonnaires (4) disposés suivant une seule rangée concentrique par rapport à l'axe vertical de la chaudière et dans lesquels les gaz issus du distributeur central (3) subissent un refroidissement intensif par la cession de la chaleur à l'agent réfrigérant, à savoir de l'eau, et une séparation thermomécanique poussée et continue des particules en suspension; des réchauffeurs secondaires (5) de l'eau de la chaudière en nombre égal à celui des dispositifs tourbillonnaires (4) o les gaz issus des dispositifs tourbillonnaires (4) continuent à se refroidir; un collecteur distributeur (6) ayant la forme générale d'un tore et recevant les gaz issus des réchauffeurs secondaires (5); une première rangée de tubes (7) descendants concentriques se terminant à leur base dans une chambre de type trémie (8); une seconde rangée de tubes ascendants (9) prenant naissance dans ladite chambre de type trémie (8) et se terminant à leur partie supérieure dans le collecteur distributeur (10) des gaz chauds; et une troisième rangée de tubes descendants concentriques (11) prenant naissance dans ledit collecteur (10) et se terminant à leur base dans un collecteur final (12) communiquant avec une chambre d'échappement; les éléments (1,2,3,4,5,6,7, 8,10,11) comportant des surfaces de transfert de chaleur étant immergés dans de l'eau présente dans le corps (13) de la chaudière (1), délimité à sa partie inférieure par une plaque tubulaire
(14) et à sa partie supérieure par un dôme (15).
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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1989
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- 1989-09-18 DE DE19893931117 patent/DE3931117A1/de not_active Ceased
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|---|---|
| DE3931117A1 (de) | 1991-03-28 |
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