EP0131502B1 - Echangeurs de chaleur moulés en matière réfractaire - Google Patents

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EP0131502B1
EP0131502B1 EP84401324A EP84401324A EP0131502B1 EP 0131502 B1 EP0131502 B1 EP 0131502B1 EP 84401324 A EP84401324 A EP 84401324A EP 84401324 A EP84401324 A EP 84401324A EP 0131502 B1 EP0131502 B1 EP 0131502B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
refractory material
heat exchanger
fluid
tubes
Prior art date
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Expired
Application number
EP84401324A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0131502A1 (fr
Inventor
Serge Rogier
Jacques Guigonis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Societe Europeenne des Produits Refractaires SAS
Original Assignee
Societe Europeenne des Produits Refractaires SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Europeenne des Produits Refractaires SAS filed Critical Societe Europeenne des Produits Refractaires SAS
Publication of EP0131502A1 publication Critical patent/EP0131502A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0131502B1 publication Critical patent/EP0131502B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/395—Monolithic core having flow passages for two different fluids, e.g. one- piece ceramic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/905—Materials of manufacture

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers molded from refractory material.
  • Ceramic heat exchangers are already known which are suitable for use at high temperatures.
  • GB-A-766 668 describes the manufacture of relatively small size monolithic heat exchangers with straight rectilinear channels, by pressing and sintering alumina powder at high temperature. Several exchangers thus obtained can be assembled to form a larger exchanger, which will obviously be non-monolithic. The manufacturing process described uses solid inserts (rods) which can be removed for the formation of the exchanger channels.
  • US-A-4156625 describes a heat recuperator in refractory material consisting of a monolithic central block comprising rectilinear crossed channels, flanked by two end blocks in which are formed cavities ensuring the connection of some of the channels of the central block between them.
  • the different constituent parts of the exchanger can be produced by casting in a mold.
  • Some of the channels of the central block have a flared shape to facilitate the release of the central block.
  • the heat exchangers of refractory ceramic material of the prior art are exchangers whose efficiency from the point of view of heat exchanges is only average due to the cross configuration of the channels.
  • the invention aims to provide monolithic heat exchangers whose channels are parallel to each other over a major part of their length and which can be produced in large sizes.
  • the invention relates to a heat exchanger essentially consisting of a monolithic body, molded from refractory material based on at least one metal oxide, this body comprising a plurality of first tubular continuous channels for a first fluid to be heated and a plurality of second continuous tubular channels for a second fluid to be cooled, these channels being in mutual heat exchange relationship; the first channels each having a first end intended to be connected to an inlet of said first fluid and a second end intended to be connected to an outlet of said first fluid, the second channels each having a first end intended to be connected to an inlet of said second fluid and a second end intended to be connected to an outlet of said second fluid, characterized in that:
  • the first and second channels extend parallel to each other over a major part of their length, the channels of at least one of the two groups are bent, and the body is a body, made of a refractory material making taken at room temperature and exhibiting a shrinkage of less than 0.5%.
  • the invention lends itself particularly well to the manufacture of large exchangers whose body has a mass greater than 500 kg.
  • Any refractory composition having low shrinkage (less than 0.5%) and good flowability and giving, after setting or ceramization, a refractory material having good resistance to resistance properties, can be used for molding the exchanger. abrasion and chemical agents as well as low permeability, that is to say less than 5 nanoperms.
  • component (ii) is a superaluminous cement and component (iii) consists of vitreous silica.
  • This refractory material has the distinction of having a very low shrinkage (less than 0.1%) when taken. This property makes it possible to obtain complex structures with high geometric precision and to introduce into the mass networks of hollow channels of organic material without the appearance of cracks between these networks which would put the fluid channels to be heated into communication with the channels of fluid to cool.
  • This refractory material has a low permeability to gases and liquids even under pressure, which is less than 1 nanoperm and in general of the order of 0.3 nanoperm.
  • the preferred refractory material used to manufacture the heat exchangers of the invention is implemented like a concrete by mixing it intimately before use with an amount of water between 3 and 25%, preferably between 4 and 10% by weight, and with 0.01 to 1% of a surface-active dispersing agent relative to the total weight of the ingredients (i) to (iii).
  • the channels of the first network and those of the second network open onto different faces of the body of the exchanger.
  • the refractory material further comprises reinforcing fibers, preferably made of short stainless steel.
  • reinforcing fibers preferably made of short stainless steel.
  • the ends of these protruding inserts of the formwork or mold can be fixed through openings of corresponding shape provided in the walls of said formwork or mold, and / or hold them in place by a set of sieves, in particular by stainless steel wires connected to the formwork and having a mesh corresponding to the diameter of the tube.
  • a set of sieves in particular by stainless steel wires connected to the formwork and having a mesh corresponding to the diameter of the tube.
  • the various steel wire screens used remain in the mass of the refractory.
  • polyvinyl chloride tubes or profiles are used (abbreviated as P.V.C.).
  • P.V.C. polyvinyl chloride tubes or profiles
  • sleeves and elbows making it possible to produce any desired bends, are readily available commercially.
  • After baking, such tubes or profiles leave a perfectly smooth imprint.
  • vibrations can be used. This can be obtained, for example, by sending compressed air at low frequency into a few suitably chosen tubes or profiles or by using a vibrating table or suitable vibrators of the pneumatic or electric vibrator or vibrating needle type.
  • the ceramization has been carried out and the body has cooled, the latter can be insulated and possibly protected by an envelope.
  • the exchangers of the invention have numerous advantages over conventional devices, such as great resistance to aggressive chemical agents, such as chlorine, sulfuric anhydride, strong acids, strong bases, silicates and oxides of metals, etc. Their high hardness also gives them excellent resistance to erosion by gases circulating at high speed and loaded with abrasive ash. This high hardness makes it possible to circulate the fluids at high speeds, at least twice higher than those admissible in conventional steel tube exchangers, which ensures a good coefficient of heat exchange between the fluids and the walls of the body. and advantageously compensates for the lower thermal conductivity of the ceramic material relative to the metal, so that the exchange surfaces to be provided for the same heat exchange power are equal or less.
  • the high refractoriness of the refractory material and the large thermal inertia of the body allow the use of the exchangers of the invention at gas temperatures which can reach 1500 ° C. under variable conditions without risk of cracking under the action of thermomechanical stresses. ques.
  • the exchanger can be manufactured on the site of use. Also, it is possible to vary the composition of the refractory material during the casting operation so that the body has zones of different compositions best suited to the working conditions to which they will be exposed in service.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating the manufacture of a heat exchanger body according to the invention.
  • FIG. 2 is a view in axial longitudinal section of a heat exchanger according to the invention intended to be used with an industrial waste incinerator.
  • This example illustrates the production of a monolithic exchanger body with separate fluids according to the invention of dimensions 1 m ⁇ 1 m ⁇ 1 m.
  • the upper part of the mold is flared and two passages 7 have been made there through which the refractory material will be poured into the mold.
  • the whole mold-networks of PVC tubes is placed on a vibrating table (not shown) and the refractory composition of the type described in European patent 0 021 is poured into the mold through the passages 7. 936 and sold commercially under the trademark ERSOL O by the Applicant.
  • This refractory material comprises by weight, 91 parts of grains melted and poured from a refractory material composed of 50.6% of Al 2 O 3, 32.5% of ZrO z , 15.7% of Si0 2 , 1, 1% Na 2 0, 0.1% Fe 2 0 3 , and 0.1% Ti0 2 (product n ° 1 of table 1 of the European patent 0 021 936 mentioned above).
  • the pouring is stopped when the material level reaches a few centimeters above the desired level (1 meter in the example) and continues to vibrate until densification of the product.
  • the body is then subjected to a heat treatment comprising a drying step at a temperature in the range of 100-150 ° C, a steaming step used to remove the PVC tubes (generally by progressive heating up to 400 ° C approximately) and finally a high temperature ceramization step (generally in the range of 800-1200 ° C approximately). Finally, it is allowed to cool to room temperature.
  • This example describes the production on the site of use of a heat exchanger, according to the invention, for an industrial waste incinerator, in which it is a question of recovering approximately 1,000,000 Kcal / hour by heating the incoming air to 28 ° C approximately to approximately 650 ° C by means of hot fumes arriving at approximately 950 ° C and leaving at approximately 250 ° C.
  • the body 21 of the exchanger comprises 360 channels 22 intended to be traversed by the flue gases and 360 channels 23 intended to be traversed by the air, all with a diameter of 2.5 cm.
  • the channels 22 are rectilinear and extend from the base to the top of the body, while the channels 23 are bent at 90 °, in opposite directions, at each of their ends so as to extend parallel to the channels 22 on the most of their length but leading to the perimeter of the body, at 24 and 25 as illustrated in Figure 2.
  • the exchange surface is around 198 M 2.
  • the body which has a diameter of 1.1 m and a height of 7 meters, is molded in the space of a few hours on site by casting about 15 tonnes of the material described in Example 1 (with fibers) in formwork of appropriate shape. After formwork removal, apply to the body a layer 26 of insulating cellular concrete with a thickness of approximately 100 mm, a metal casing 27 made of sheet steel 10 mm thick, and finally a mattress 28 of rock wool with a thickness of 20 mm.
  • Metal flanges, such as 29, are provided around the areas where the channels open in order to facilitate the connection of the fluid inlets and outlets. Obviously, only one layer of insulation can be used, either in the form of concrete or in the form of fibers.
  • the refractory mixture is poured in sections of 850 mm in height using removable chutes which facilitate the operation.
  • the formwork made up of two semi-cylindrical shells is placed section after section by sliding it inside the support frame.
  • the heat treatment for removing PVC tubes and ceramization is carried out using hot fumes available on site or burners.
  • the labor required to set up the formwork and the positioning of the tubes on the site is around 60 hours.
  • the heat exchange coefficient is 45 Kcal / h ⁇ m 2 ⁇ ° C.
  • the equivalent solution of steel tubes weighs 20 tonnes and consists of an exchanger comprising 121 tubes with a diameter of 8 cm and has an exchange surface of 214 m 2 .
  • Its exchange coefficient is 20 Kcal / h ⁇ m 2. ° C for gas speeds of 2 Nm / s.
  • the pressure drops of fluid to be heated are twice as great.
  • Such an exchanger requires approximately 400 hours of welding and assembly.
  • the invention therefore applies universally to all types of low and high temperature exchangers and makes it possible to solve here times the problems of tightness between the channels, refractoriness, good heat exchange, resistance to erosion and corrosion by various aggressive fluids or loaded with aggressive agents.
  • This example describes the production on the site of use of a heat exchanger operating at high temperature for a pushing furnace from the steel industry, in which it is a question of reheating the incoming air at about 27 ° C to 670 °. C approximately by means of hot fumes arriving at approximately 800 ° C and leaving at approximately 400 ° C.
  • a refractory material such as that of Example 1 (with steel fibers) is poured onto the site into a formwork of 1.3 x 1.3 x 10 m furnished with a network of 625 tubes (25 x 25) with an outside diameter of 6cm in order to obtain an exchange surface of the order of 1000 m 2 .
  • 313 of these tubes are straight and are intended to form the smoke channels, while the other 312 tubes, intended to form the air channels, are bent at 90 °, in opposite directions, at each of their ends so as to extend parallel to the first 313 tubes over most of their length, but lead to the periphery of the body, in a similar manner to what was described in example 3 with reference to FIG. 2.

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Description

  • L'invention concerne des échangeurs de chaleur moulés en matière réfractaire.
  • Il existe de nombreux domaines de l'industrie dans lesquels on a besoin d'échangeurs de chaleur capables de travailler, à basses ou hautes températures, avec des fluides corrosifs et/ou abrasifs, étant entendu qu'en général on désigne par «basse température» une température inférieure à environ 700°C alors que par «haute température» on vise celles qui vont de 700°C à environ 1400°C.
  • Des exemples non limitatifs de tels domaines sont les suivants:
    • - centrales thermiques au charbon ou au fuel lourd (réchauffeurs d'air travaillant sur des fumées riches en S02 et en cendres abrasives);
    • - réchauffeurs d'air sur chaudières à soufre;
    • - foyers d'incinération produisant des fumées riches en CI, HCI, S02, S04H2 et N03H;
    • - fours de grillage de minerai produisant des fumées riches en Cl, S02 et oxydes métalliques;
    • - fours de verrerie produisant des fumées agressives;
    • - fours de métallurgie (fours poussant, fours Pitts) produisant des fumées riches en oxyde de fer;
    • - fours de briquetteries et de cimenteries produisant des fumées riches en cendres abrasives;
    • - condenseurs de vapeurs agressives sur réacteurs de synthèse.
  • On connaît déjà des échangeurs de chaleur en matière céramique convenant pour être utilisés à des températures élevées.
  • GB-A-766 668 décrit la fabrication d'échangeurs de chaleur monolithiques de taille relativement petite à canaux rectilignes croisés, par pressage et frittage à haute température de poudre d'alumine. Plusieurs échangeurs ainsi obtenus peuvent être assemblés pour former un échangeur de taille plus importante, qui sera évidemment non monolithique. Le procédé de fabrication décrit fait appel à des inserts pleins (tiges) éliminables pour la formation des canaux de l'échangeur.
  • US-A-4156625 décrit un récupérateur de chaleur en matière réfractaire constitué d'un bloc central monolithique comportant des canaux rectilignes croisés, flanqué de deux blocs d'extrémité dans lesquels sont formées des cavités assurant le raccordement de certains des canaux du bloc central entre eux. Les différentes parties constituantes de l'échangeur peuvent être fabriquées par coulée dans un moule. Certains des canaux du bloc central présentent une forme évasée pour faciliter le démoulage du bloc central.
  • Les échangeurs de chaleur en matière céramique réfractaire de la technique antérieure sont des échangeurs dont l'efficacité du point de vue des échanges thermiques n'est que moyenne du fait de la configuration croisée des canaux.
  • En outre, ces échangeurs sont soit de petite taille, soit nécessitent l'assemblage de plusieurs éléments entre eux, ce qui pose des problèmes d'étanchéité au niveau des joints et, donc, de fiabilité de l'échangeur.
  • Il serait donc souhaitable de pouvoir disposer d'échangeurs de chaleur monolithiques en matière céramique réfractaire ayant des propriétés d'échange de chaleur améliorées et qui puissent être réalisés en de grandes tailles.
  • L'invention vise à fournir des échangeurs de chaleur monolithiques dont les canaux sont parallèles les uns aux autres sur une partie majeure de leur longueur et qui peuvent être réalisés en de grandes tailles.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur de chaleur constitué essentiellement d'un corps monolithique, venu de moulage, en matière réfractaire à base d'au moins un oxyde de métal, ce corps comprenant une pluralité de premiers canaux continus tubulaires pour un premier fluide à réchauffer et une pluralité de deuxièmes canaux continus tubulaires pour un deuxième fluide à refroidir, ces canaux étant en relation mutuelle d'échange de chaleur; les premiers canaux ayant chacun une première extrémité destinée à être reliée à une arrivée dudit premier fluide et une deuxième extrémité destinée à être reliée à une sortie dudit premier fluide, les deuxièmes canaux ayant chacun une première extrémité destinée à être reliée à une arrivée dudit deuxième fluide et une deuxième extrémité destinée à être reliée à une sortie dudit deuxième fluide, caractérisé en ce que:
  • les premiers et deuxièmes canaux s'étendent parallèlement les uns aux autres sur une partie majeure de leur longueur, les canaux d'au moins l'un des deux groupes sont coudés, et le corps est un corps, constitué d'une matière réfractaire faisant prise à la température ambiante et présentant un retrait inférieur à 0,5%.
  • L'invention se prête particulièrement bien à la fabrication d'échangeurs de grande taille dont le corps a une masse supérieure à 500 kg.
  • Pour le moulage de l'échangeur, on peut utiliser toute composition réfractaire présentant un faible retrait (inférieur à 0,5%) et une bonne coulabilité et donnant, après prise ou céramisation, une matière réfractaire ayant de bonnes propriétés de résistance à l'abrasion et aux agents chimiques ainsi qu'une faible perméabilité, c'est-à-dire inférieure à 5 nanoperms.
  • Parmi ces compositions réfractaires et selon un mode de réalisation préféré, la matière réfractaire a la composition suivante, en % en poids:
    • (i) 55-99% de particules d'un matériau réfractaire fondu et coulé contenant une phase vitreuse, ce matériaux étant constitué principalement par les oxydes de zircone-silice, de zircone-silice-alumine ou de zircone-silice-alumine-oxyde de chrome, ces particules ayant la distribution granulométrique suivante: 15-45% de grains d'une grosseur de 2 à 5 mm, 20-40% de grainette d'une grosseur de 0,5 à 2 mm, 15-30% de farine d'une grosseur de 40 micromètres à 0,5 mm et 0-40% de fines d'une grosseur inférieure à 40 micromètres;
    • (ii) 1 - 5% d'un ciment hydraulique; et
    • (iii) 1-15% d'une charge constituée de particules d'une grosseur de 0,01 à 5 micromètres, sensiblement sphériques, d'un oxyde de métal, la surface spécifique de ces particules étant supérieure à 5 m2/g; la proportion de chacun des constituants (i), (ii), et (iii) étant donnée par rapport au total des ingrédients (i), (ii) et (iii).
  • La matière réfractaire susmentionnée est décrite en détail dans le brevet européen ?0021 936 de la demanderesse. De préférence, le constituant (ii) est un ciment superalumineux et le constituant (iii) est constitué de silice vitreuse.
  • Cette matière réfractaire présente la particularité d'avoir un très faible retrait (inférieur à 0,1%) à la prise. Cette propriété permet d'obtenir des structures complexes avec une grande précision géométrique et d'introduire dans la masse des réseaux de canaux creux en matière organique sans apparition de fissures entre ces réseaux qui mettraient en communication les canaux de fluide à réchauffer avec les canaux de fluide à refroidir.
  • Cette matière réfractaire présente une basse perméabilité aux gaz et aux liquides même sous pression, qui est inférieure à 1 nanoperm et en général de l'ordre de 0,3 nanoperm.
  • La matière réfractaire préférée utilisée pour fabriquer les échangeurs de chaleur de l'invention se met en oeuvre comme un béton en la mélangeant intimement avant l'emploi avec une quantité d'eau comprise entre 3 et 25%, de préférence entre 4 et 10% en poids, et avec 0,01 à 1% d'un agent dispersant tensio-actif par rapport au poids total des ingrédients (i) à (iii).
  • Selon un mode de réalisation préféré, les canaux du premier réseau et ceux du deuxième réseau débouchent sur des faces différentes du corps de l'échangeur.
  • Selon un autre mode de réalisation particulier, la matière réfractaire comprend, en outre, des fibres renforçantes, de préférence en acier inoxydable de courte longueur. A titre indicatif, on peut incorporer 0,5 à 3% en poids de telles fibres dans la composition réfractaire, de préférence environ 1,5% en poids. Ces fibres renforcent les propriétés mécaniques du corps et améliorent la résistance aux variations thermiques de la matière réfractaire.
  • L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur selon l'invention, qui comprend les étapes suivantes:
    • a) disposition dans un coffrage ou moule ayant la forme désirée pour le corps de l'échangeur, d'une pluralité d'inserts positionnés et maintenus aux endroits correspondant aux emplacements désirés des canaux du corps;
    • b) coulée dans le coffrage ou moule de la matière réfractaire additionnée d'eau de mise en oeuvre avec application de moyens de compactage de la composition coulée;
    • c) séchage du corps moulé, puis étuvage de ce corps à une température suffisante pour provoquer l'élimination des inserts, caractérisé en ce que lesdits inserts sont constitués de tubes et/ou profilés creux en matière plastique rigide et en ce qu'on fait passer à travers lesdits tubes et/ou profilés creux un gaz à une température suffisamment élevée pour provoquer l'élimination desdits tubes et/ou profilés en matière plastique noyés au sein du corps séché;
    • d) éventuellement céramisation du corps par chauffage à une température élevée appropriée.
  • Pour maintenir les inserts en place, on peut fixer les extrémités de ces inserts saillant du coffrage ou moule à travers des ouvertures de forme correspondante prévues dans les parois dudit coffrage ou moule, et/ou les maintenir en place par un ensemble de tamis notamment en fils d'acier inoxydable reliés au coffrage et ayant une maille correspondant au diamètre du tube. Dans ce dernier cas, les divers tamis en fils d'acier utilisés demeurent dans la masse du réfractaire.
  • De préférence, on utilise des tubes ou des profilés en chlorure de polyvinyle (en abrégé P.V.C.). De tels tubes ou profilés, ainsi que des manchons et coudes permettant de réaliser toutes courbures désirées, sont aisément disponibles dans le commerce. Après l'étuvage, de tels tubes ou profilés laissent une empreinte parfaitement lisse.
  • Comme moyens de compactage de la composition coulée, on peut utiliser des vibrations. Ceci peut être obtenu, par exemple, en envoyant de l'air comprimé à basse fréquence dans quelques tubes ou profilés convenablement choisis ou en utilisant une table vibrante ou des vibrateurs appropriés du type vibrateurs pneumatiques ou électriques ou aiguille vibrante.
  • Une fois la céramisation réalisée et le corps refroidi, on peut calorifuger ce dernier et le protéger éventuellement par une enveloppe.
  • Les échangeurs de l'invention présentent de nombreux avantages par rapport aux dispositifs conventionnels, tels qu'une grande résistance aux agents chimiques agressifs, tels que le chlore, l'anhydride sulfurique, les acides forts, les bases fortes, les silicates et oxydes de métaux, etc. Leur dureté élevée leur confère, en outre, une résistance excellente à l'érosion par des gaz circulant à grande vitesse et chargés de cendres abrasives. Cette dureté élevée permet de faire circuler les fluides à des vitesses importantes, au moins deux fois supérieures à celles admissibles dans des échangeurs à tubes d'acier conventionnels, ce qui assure un bon coefficient d'échange thermique entre les fluides et les parois du corps et compense avantageusement la plus faible conductibilité thermique de la matière céramique par rapport au métal, si bien que les surfaces d'échange à prévoir pour une même puissance calorifique d'échange sont égales ou inférieures.
  • Il faut noter également que la possibilité de fonctionner avec des fluides circulant à grande vitesse favorise l'auto-nettoyage des canaux, ce qui évite l'emploi d'une installation coûteuse de ramonage.
  • La haute réfractarité de la matière réfractaire et l'inertie thermique importante du corps permettent l'utilisation des échangeurs de l'invention à des températures de gaz pouvant atteindre 1500°C en régime variable sans risque de fissuration sous l'action des contraintes thermomécani- ques.
  • Enfin, le coût de fabrication d'un échangeur selon l'invention est beaucoup plus réduit (jusqu'à 4 fois) que celui d'un échangeur classique, principalement à cause de sa simplicité de fabrication qui nécessite un nombre réduit d'heures de main-d'oeuvre.
  • Si désiré, l'échangeur peut être fabriqué sur le site même d'utilisation. Egalement, il est possible de faire varier la composition de la matière réfractaire au cours de l'opération de coulée afin que le corps présente des zones de compositions différentes adaptées au mieux aux conditions de travail auxquelles elles seront exposées en service.
  • La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, fera bien comprendre l'invention.
  • La figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant la fabrication d'un corps d'échangeur de chaleur selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un échangeur de chaleur selon l'invention destiné à être utilisé avec un incinérateur de déchets industriels.
    • Exemple 1
  • Cet exemple illustre la réalisation d'un corps d'échangeur monolithique à fluides séparés selon l'invention de dimensions 1 m x 1 m x 1 m.
  • Dans un moule 1 démontable en bois de dimensions internes L = 1 mètre, 1 = 1 mètre et H = 1,20 m (figure 1), on dispose, d'une part, un réseau de 36 tubes rectilignes 2 en PVC de 6 cm de diamètre destinés à être parcourus, par exemple, par des fumées chaudes. Ces tubes sont maintenus en place par la plaque perforée 3 située au-dessus du moule et la plaque perforée 4 formant le fond du moule. D'autre part, on dispose un réseau de 49 tubes 5 coudés à 90° en PVC de 2,5 cm de diamètre destinés, par exemple, à être parcourus par de l'air à réchauffer. Les tubes 5 sont tenus en place par la plaque perforée 3 et par la plaque latérale perforée 6. Pour des raisons de simplicité de représentation, on n'a représenté sur la figure 1 que 8 tubes 2 et 4 tubes 5.
  • La partie supérieure du moule est évasée et on y a ménagé deux passages 7 par où on coulera la matière réfractaire dans le moule.
  • L'ensemble moule-réseaux de tubes en PVC est posé sur une table vibrante (non représentée) et on coule dans le moule par les passages 7, tout en faisant vibrer la table, la composition réfractaire du type décrit dans le brevet européen 0 021 936 et vendue dans le commerce sous la marque déposée ERSOLO par la Demanderesse. Cette matière réfractaire comprend en poids, 91 parties de grains fondus et coulés d'un matériau réfractaire composé de 50,6% d'Al2O3, 32,5% de ZrOz, 15,7% de Si02, 1,1% de Na20, 0,1% de Fe203, et 0,1% de Ti02 (produit n° 1 du tableau 1 du brevet européen 0 021 936 susmentionné).
  • On arrête la coulée lorsque le niveau de matière arrive quelques centimètres au-dessus du niveau désiré (1 mètre dans l'exemple) et on continue à faire vibrer jusqu'à densification du produit. On démoule après prise. On soumet ensuite le corps à un traitement thermique comprenant une étape de séchage à une température dans la gamme de 100-150°C, une étape d'étuvage servant à éliminer les tubes en PVC (en général par chauffage progressif jusqu'à 400°C environ) et enfin une étape de céramisation à haute température (en général dans la gamme de 800-1200°C environ). Finalement, on laisse refroidir à la température ambiante.
  • On répète la même opération de moulage avec une matière réfractaire similaire si ce n'est qu'on y incorpore 1,5 partie en poids de fibres en acier inoxydable de marque déposée DRAMIXZP, qualité 30/40 vendues par la société belge BEKAERT. Ces fibres se présentent sous forme d'agrafes en U d'un diamètre de 0,3 mm et d'une longueur de 40 mm. Elles existent en acier AISI 302 pour les applications à des températures ne dépassant pas 1000°C ou en acier AISI 314 pour les applications à des températures supérieures à 1000°C. Egalement, on utilise 4,7 parties d'eau au lieu de 4,5 parties.
  • Après la cuisson à 1000°C environ, les corps obtenus, avec ou sans présence de fibres d'acier, sont compacts.
    • Exemple 2
  • Cet exemple décrit la réalisation sur le site d'utilisation d'un échangeur de chaleur, selon l'invention, pour incinérateur de déchets industriels, dans lequel il s'agit de récupérer environ 1000000 Kcal/heure en réchauffant de l'air entrant à 28°C environ jusqu'à environ 650°C au moyen de fumées chaudes arrivant à 950°C environ et sortant à 250°C environ.
  • Comme le montre la figure 2, le corps 21 de l'échangeur comprend 360 canaux 22 destinés à être parcourus par les fumées et 360 canaux 23 destinés à être parcourus par l'air, tous d'un diamètre de 2,5 cm. Les canaux 22 sont rectilignes et s'étendent de la base au sommet du corps, tandis que les canaux 23 sont coudés à 90°, dans des sens opposés, à chacune de leurs extrémités de façon à s'étendre parallèlement aux canaux 22 sur la majeure partie de leur longueur mais à déboucher sur le pourtour du corps, en 24 et 25 comme l'illustre la figure 2. La surface d'échange est d'environ 198 M 2.
  • Le corps qui présente un diamètre de 1,1 m et une hauteur de 7 mètres est moulé en l'espace de quelques heures sur le site par coulée d'environ 15 tonnes de la matière décrite à l'exemple 1 (avec fibres) dans un coffrage de forme appropriée. Après décoffrage, on applique sur le corps une couche 26 de béton cellulaire isolant d'une épaisseur d'environ 100 mm, une enveloppe métallique 27 en tôle d'acier de 10 mm d'épaisseur, et enfin un matelas 28 de laine de roches d'une épaisseur de 20 mm. Des brides métalliques, telles que 29, sont prévues autour des zones où débouchent les canaux afin de faciliter le raccordement des arrivées et sorties de fluides. On peut évidemment n'utiliser qu'une seule couche d'isolant, soit sous forme de béton, soit sous forme de fibres.
  • Pour réaliser cet appareil, on a utilisé la solution qui consiste à positionner les réseaux de tubes 22 et 23 dans les mailles d'un ensemble de tamis en acier inoxydable d'ouverture approximative 25 mm (tamis de maille «1 pouce») fixés à un cadre.
  • La coulée du mélange réfractaire s'effectue par sections de 850 mm de hauteur à l'aide de goulottes amovibles qui facilitent l'opération. Le coffrage constitué de deux coquilles hémicylindriques est mis en place section après section en le glissant à l'intérieur du cadre support.
  • Du fait de la taille de la pièce, on combine l'effet de vibrateurs extérieurs au coffrage à l'effet de vibrateurs agissant dans la masse du réfractaire.
  • Le traitement thermique d'élimination des tubes de PVC et de céramisation est effectué à l'aide des fumées chaudes disponibles sur le site ou de brûleurs.
  • A titre indicatif, la main-d'oeuvre nécessitée pour mettre en place sur le chantier le coffrage et le positionnement des tubes est de l'ordre de 60 heures.
  • Pour des vitesses de gaz de 15 Nm/seconde, le coefficient d'échange thermique est de 45 Kcal/ h·m2·°C.
  • A titre comparatif, la solution équivalente en tubes d'acier pèse 20 tonnes et consiste en un échangeur comportant 121 tubes d'un diamètre de 8 cm et a une surface d'échange de 214 m2. Son coefficient d'échange est de 20 Kcal/ h· m2.°C pour des vitesses de gaz de 2 Nm/s. De plus, les pertes de charge de fluide à réchauffer sont deux fois plus importantes. Un tel échangeur nécessite environ 400 heures de soudure et de montage.
  • L'invention s'applique donc de façon universelle à tous les types d'échangeurs basse et haute température et permet de résoudre à Ici fois les problèmes d'étanchéité entre les canaux, de réfractarité, de bon échange thermique, de résistance à l'érosion et à la corrosion par les divers fluides agressifs ou chargés d'agents agressifs.
    • Exemple 3
  • Cet exemple décrit la production sur le site d'utilisation d'un échangeur de chaleur fonctionnant à haute température pour four poussant de sidérurgie, dans lequel il s'agit de réchauffer de l'air entrant à environ 27°C jusqu'à 670°C environ au moyen de fumées chaudes arrivant à 800°C environ et sortant à environ 400°C.
  • On coule sur le site une matière réfractaire telle que celle de l'exemple 1 (avec fibres d'acier) dans un coffrage de 1,3 x 1,3 x 10 m garni d'un réseau de 625 tubes (25 x 25) d'un diamètre extérieur de 6cm afin d'obtenir une surface d'échange de l'ordre de 1000 m2. 313 de ces tubes sont rectilignes et sont destinés à former les canaux à fumées, tandis que les 312 autres tubes, destinés à former les canaux à air, sont coudés à 90°, dans des sens opposés, à chacune de leurs extrémités de façon à s'étendre parallèlement aux 313 premiers tubes sur la majeure partie de leur longueur, mais à déboucher sur le pourtour du corps, de façon similaire à ce qui a été décrit dans l'exemple 3 avec référence à la figure 2. Pendant la coulée, on vibre soit en injectant de l'air comprimé dans les tubes, soit en ayant recours à des vibrateurs comme cela se pratique couramment sur les chantiers de bétonnage. On démoule au bout de 24 heures et on laisse vieillir le corps moulé pendant 8 jours. Ensuite, on isole thermiquement le corps d'échangeur à l'aide d'une couche de béton isolant ou d'un matelas de fibres isolantes et on met en place une enveloppe métallique maintenant le tout. On soumet alors le corps isolé à un traitement thermique semblable à celui décrit à l'exemple 1 en se servant des fumées chaudes disponibles dans l'usine que l'on fait passer dans une partie ou la totalité des canaux du corps, selon le besoin.

Claims (12)

1. Echangeur de chaleur constitué essentiellement d'un corps monolithique, venu de moulage, en matière réfractaire à base d'au moins un oxyde de métal, ce corps comprenant une pluralité de premiers canaux continus tubulaires pour un premier fluide à réchauffer et une pluralité de deuxièmes canaux continus tubulaires pour un deuxième fluide à refroidir, ces canaux étant en relation mutuelle d'échange de chaleur; les premiers canaux ayant chacun une première extrémité destinée à être reliée à une arrivée dudit premier fluide et une deuxième extrémité destinée à être reliée à une sortie dudit premier fluide, les deuxièmes canaux ayant chacun une première extrémité destinée à être reliée à une arrivée dudit deuxième fluide et une deuxième extrémité destinée à être reliée à une sortie dudit deuxième fluide, caractérisé en ce que:
les premiers et deuxièmes canaux s'étendent parallèlement les uns aux autres sur une partie majeure de leur longueur, les canaux d'au moins l'un des deux groupes sont coudés, et le corps est un corps constitué d'une matière réfractaire faisant prise à la température ambiante et présentant un retrait inférieur à 0,5%.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire contient des grains d'oxydes de métaux fondus et coulés appartenant à l'un des systèmes suivants: ZrOz-SiOz, ZrO2-SiO2-Al2O3 et ZrO2-SiO2-Al2O3-Cr03.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière réfractaire a la composition suivante, en % en poids:
(i) 55-99% de particules d'un matériau réfractaire fondu et coulé contenant une phase vitreuse à base de zircone-silice, de zircone-silice-alumine ou de zircone-silice-alumine-oxyde de chrome, ces particules ayant la distribution granulométrique suivante: 15-45% de grains d'une grosseur de 2 à 5 mm, 20-40% de grainette d'une grosseur de 0,5 à 2 mm, 15-30% de farine d'une grosseur de 40 micromètres à 0,5 mm et 0-40% de fines d'une grosseur inférieure à 40 micromètres; (ii) 1 à 5% d'un ciment hydraulique; et
(iii) 1-15% d'une charge constituée de particules d'une grosseur de 0,01 à 5 micromètres, sensiblement sphériques, d'un oxyde de métal, la surface spécifique de ces particules étant supérieure à 5 m2/g; la proportion de chacun des constituants (i), (ii) et (iii), étant donnée par rapport à leur total.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le constituant (ii) est un ciment superalumineux et le constituant (iii) est de la silice vitreuse.
5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des fibres renforçantes sont incorporées à la matière réfractaire.
6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fibres renforçantes sont des fibres d'acier inoxydable présentes à raison de 0,5 à 3% en poids par rapport à la matière réfractaire.
7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il présente une masse supérieure à 500 kilogrammes.
8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps est calorifugé.
9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des brides métalliques autour des zones où débouchent les canaux afin de faciliter le raccordement des arrivées et sorties de fluides.
10. Un procédé de fabrication d'un échangeur selon la revendication 1, qui comprend les étapes suivantes:
a) disposition dans un coffrage ou moule ayant la forme désirée pour le corps de l'échangeur, d'une pluralité d'inserts positionnés et maintenus aux endroits correspondant aux emplacements désirés des canaux du corps;
b) coulée dans le coffrage ou moule de la matière réfractaire additionnée d'eau de mise en oeuvre avec application de moyens de compactage de la composition coulée;
c) séchage du corps moulé, puis étuvage de ce corps à une température suffisante pour provoquer l'élimination des inserts, caractérisé en ce que lesdits inserts sont constitués de tubes et/ou de profilés creux en matière plastique rigide et en ce qu'on met en contact l'intérieur desdits tubes et/ou profilés creux avec un gaz à température suffisamment élevée pour provoquer l'élimination desdits tubes et/ou profilés en matière plastique noyés au sein du corps séché.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le corps moulé est en outre cérami- sé par chauffage à une température élevée appropriée.
12. Un procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les tubes ou profilés sont en chlorure de polyvinyle.
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