CH633880A5 - Echangeur de chaleur. - Google Patents

Description

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REVENDICATIONS

1. Echanger de chaleur à plaques et ailettes ayant des collecteurs, des parties d'échange de chaleur et des passages pour diriger des parties des fluides d'échange de chaleur vers certaines parties sur la périphérie de l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend: des passages d'air s'éten-dant le long d'une partie des collecteurs et en contact thermique avec eux, des moyens de connexion des passages entre les collecteurs d'entrée et de sortie en relation d'échange de chaleur avec des passages de gaz, et des moyens de connexion des passages avec l'intérieur de leurs collecteurs associés en des positions sélectionnées sur la périphérie des collecteurs pour diriger une partie de l'air comprimé conduit par les collecteurs à travers les passages.

2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les passages d'air se trouvent entre des paires de plaques et comprennent une portion d'anneau s'étendant au moins sur la périphérie externe des collecteurs dans une zone éloignée de la section d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur.

3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion d'anneau entoure le collecteur associé et comprend un bouchon pour bloquer une partie de la portion d'anneau de manière à diriger l'air à travers des passages d'air à ailettes associés.

4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bouchon comprend une paire de pattes opposées attachées à des plaques opposées adjacentes dans leur portion d'anneau respective, et une ailette s'étendant entre les plaques et connecté aux pattes respectives.

5. Echangeur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par deux bouchons dans chaque portion d'anneau symétriquement positionnés de chaque côté du collecteur pour diriger l'air à partir de la portion d'anneau à travers les passages d'air s'étendant à travers l'échangeur de chaleur près de ses côtés opposés.

6. Echangeur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans chacune des plaques adjacentes formant les portions d'anneaux, des parties de transition respectives adjacentes au bouchon pour délimiter des sections hermétiques autour des collecteurs associés vers l'extérieur du bouchon, les sections fermant les passages en les isolant des collecteurs associés sauf dans la région des moyens de connexion.

7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de connexion comprennent des portions formées des plaques ayant des ouvertures pour les portions d'anneau.

8. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de barres latérales tubulaires le long des côtés opposés de l'échangeur de chaleur et alignées en général dans une direction d'écoulement des gaz d'échappement à travers l'échangeur de chaleur entre ses chambres d'entrée et de sortie de gaz, et des moyens pour diriger les gaz d'échappement chauds vers les barres latérales.

9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour diriger les gaz d'échappement chauds vers les barres latérales comprennent une pluralité d'ouvertures aux côtés opposés des barres latérales communiquant directement avec les chambres d'entrée et de sortie de gaz, respectivement, de l'échangeur de chaleur.

10. Echangeur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour limiter sélectivement l'écoulement des gaz d'échappement à travers les barres latérales.

11. Echangeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de limite comprennent des parties de section réduite dans les barres latérales.

12. Echangeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de limite comprennent des parties de section réduite adjacentes aux côtés opposés de certaines des barres latérales seulement pour restreindre l'écoulement des gaz d'échappement au travers de celles-ci tout en permettant l'écoulement des gaz non restreint à travers les autres barres latérales.

Des échangeurs de chaleur sont utilisés avec de grandes turbines à gaz de manière à améliorer leur rendement et leur performance tout en réduisant les coûts de fonctionnement. Les échangeurs de chaleur du type dont il sera l'objet de l'exposé qui suit sont parfois appelés des récupérateurs, ou régénérateurs. Une application particulière de telles unités se fait conjointement avec les turbines à gaz utilisées pour l'entraînement de compresseurs dans les gazoducs.

Plusieurs centaines de turbines à gaz avec régénérateurs ont été installées au cours des vingt dernières années. La plupart des régénérateurs dans ces unités étaient limités par leur température de fonctionnement et ne pouvaient dépasser 540°C en vertu des matériaux employés à leur fabrication. De tels régénérateurs sont du type à plaques et ailettes conçu pour un fonctionnement continu. Cependant, les augmentations du prix du carburant de ces dernières années dictent le besoin d'atteindre un rendement thermique élevé, et les nouvelles méthodes de fonctionnement nécessitent un régénérateur qui fonctionnera plus efficacement à des températures plus élevées et pourra supporter des milliers de cycles de démarrage et d'arrêt sans fuite ni des coûts d'entretien élevés. Un régénérateur à plaques et ailettes en acier inox a été développé capable de supporter des températures de 590 à 650°C dans des conditions de fonctionnement comprenant des cycles répétés et ininterrompus de démarrage et d'arrêt.

La conception antérieure à ailettes produisait des forces dans des zones de pression internes de déséquilibre de grande intensité, généralement dépassant 450 000 kg dans un régénérateur de dimensions appropriées. Ces forces de déséquilibre tendant à casser en deux la structure du régénérateur sont contenues par un bâti externe sous forme d'une carcasse renforcée. Par contraste, la conception moderne, brasée et supportant les contraintes équilibre les forces de pression internes et il n'est plus nécessaire d'avoir une carcasse renforcée qui est donc éliminée. Cependant, puisque la carcasse renforcée est éliminée suite à l'équilibrage des forces de pression internes, les changements de dimensions de toute l'unité dus à la dilatation et à la contraction thermique deviennent importants. La construction doit être compatible avec la dilatation thermique et le problème est amplifié par le fait que le régénérateur doit supporter dans sa vie des milliers de cycles de chauffage et de refroidissement avec le turbo-compresseur associé qui est démarré et arrêté de manière répétée.

La limitation des hautes températures extrêmes au-dessus de 540°C au noyau du régénérateur actuel et l'isolation thermique et dimensionnelle du noyau par rapport à l'enveloppe et à la structure de support associées, pour ainsi réduire au minimum les matériaux les plus chers de manière à maintenir les coûts des échangeurs de chaleur de conception moderne comparables à ceux des échangeurs de chaleur du type à plaque utilisés antérieurement, ont conduit vers divers montages, accouplements et dispositions de support qui, ensemble, rendent possible l'incorporation d'un noyau régénérateur brasé et supportant des contraintes dans un échan-geur de chaleur pratique du type décrit.

Les échangeurs de chaleur du type dont il est question ici s

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sont décrits dans un article de K. O. Parker intitulé «Plate Regenerator Boosts Thermal and Cycling Efficiency» (Le régénérateur à plaque augmente le rendement thermique et cyclique), publié dans The Oil & Gas Journal du 11 avril 1977.

Des dispositifs ont été pendant longtemps connus pour chauffer ou refroidir des fluides dans le but de limiter les températures différentielles et les gradients thermiques. D'autres dispositifs également bien connus dans l'art antérieur commandent le débit d'un fluide de chauffage ou de refroidissement pour en limiter l'effet pendant les phases de transition et pour maintenir les températures de fonctionnement dans des plages sélectionnées. Un exemple de ces derniers est le thermostat que l'on trouve communément dans un circuit de refroidissement automobile. Celui-ci bloque pratiquement le débit d'un liquide de refroidissement lorsque le moteur est froid et, pendant la phase de fonctionnement normale, restreint de manière variable le débit du liquide de refroidissement selon la stabilité désirée de la température de fonctionnement du moteur, le point d'ébullition du liquide de refroidissement ou de ses constituants particuliers, et les besoins de l'équipement associé, tel que le chauffage qui tire de la chaleur du liquide de refroidissement du moteur pour chauffer le compartiment des passagers.

Les brevets 2 658 728 d'Evans, Jr., 2 986 454 de Jewett, 2 615 688 de Brumbaugh, et 3 504 739 de Pearce sont des exemples utilisant un fluide intermédiaire dans des échangeurs de chaleur généralement du type à tube et à feuille pour effectuer la séparation entre les fluides, et réduire les chocs et les gradients thermiques dans les chambres respectives ou autres structures de transfert de chaleur contenant le fluide de transfert de chaleur respectif.

Le brevet Ohlander 2 661 200 révèle un dispositif d'introduction d'un gaz dans une région sensible à la chaleur d'une buse réfractaire pour limiter la température maximum de la région protégée. Ce brevet, ainsi que les brevets de Jewett et de Pearce susmentionnés, fait état, également, de l'appareil associé pour préchauffer le fluide modérateur.

De tout ce que l'on sait jusqu'à présent, aucun des dispositifs de l'art antérieur ne fait état de l'utilisation d'un fluide gazeux pour chauffer ou refroidir des parties sélectionnées d'un échangeur de chaleur pendant le démarrage ou l'arrêt entre les conditions stables de fonctionnement et l'arrêt. En particulier, ce concept n'a pas été appliqué au préalable aux collecteurs d'échangeurs de chaleur à plaques-et-ailettes de la manière décrite dans le présent brevet.

Le problème à résoudre est de maîtriser les problèmes de dilatation de température dans les appareils de conception moderne, qui ne comportent plus de carcasse renforcée.

L'échangeur de chaleur selon l'invention résout ce problème grâce aux caractères indiqués à la revendication 1.

L'on comprendra mieux la présente invention en considérant à titre d'exemple la description détaillée suivante conjointement avec les dessins annexés dans lesquels:

Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'une section d'un échangeur de chaleur incluant l'appareil de la présente invention.

Fig. 2 est une représentation schématique d'une partie du dispositif de la figure 1 utilisée dans un modèle de calcul correspondant.

Fig. 3 est une courbe montrant la température du métal en différents points dans le modèle de calcul de la figure 2 pendant une période de temps suivant l'arrêt de la turbine.

Fig. 4 est une représentation schématique de la section de la figure 1 en élévation de côte, montrant les passages internes.

Fig. 5 est une vue en coupe d'après la ligne 5-5 de la figure 4.

Fig. 6 est une vue agrandie, partiellement cassée, d'une portion du dispositif de la figure 4.

Fig. 7 est une vue en coupe agrandie d'après la ligne 7-7 de la figure 6.

Fig. 8 est une vue en coupe d'une partie du dispositif de la figure 4, d'après la ligne 8-8.

Fig. 9 est une vue agrandie d'un des éléments de la figure 8, d'après la ligne 9-9 de la figure 4.

La fig. 1 illustre une section de régénérateur brasé comme ceux qui sont utilisés dans les échangeurs de chaleur du type dont il a été parlé ci-dessus. L'unité 10 de la figure 1 n'est qu'une section d'une pluralité de sections (par exemple six) conçues pour être assemblées en un module d'échangeur de chaleur. La section 10 comprend une pluralité de plaques 12 intercalées avec des ailettes, telles que les ailettes d'air 14, et les ailettes de gaz 16, qui servent à diriger l'air et le gaz d'échappement dans des passages à contre-courant alternatifs et adjacents pour obtenir un transfert de chaleur maximum. Des plaques latérales 18, sembles aux plaques internes 12 sauf qu'elles sont formées avec des feuilles plus épaisses, sont placées de chaque côté de la section 10. Lorsqu'elles sont assemblées et brasées pour former une unité intégrale, les plaques forment les passages collecteurs respectifs 22a et 22b aux deux extrémités opposées de la section centrale à contrecourant d'échange de chaleur 20 et comuniquent avec ses passages d'air.

Comme cela est indiqué par les flèches respectives dans la figure 1, les gaz d'échappement chauffés provenant d'une turbine entrent par l'extrémité éloignée sur la figure de la section 10, s'écoulant autour du passage collecteur 22b, puis au travers des passages d'écoulement des gaz dans la section centrale 14 et sortant de la section 10 du côté le plus rapproché de la figure 1, s'écoulant autour du collecteur 22a. En même temps, de l'air comprimé du compresseur associé à la turbine entre dans la section 10 de l'échangeur de chaleur à travers le collecteur 22a, s'écoule à travers les passages internes d'écoulement d'air connectés aux collecteurs 22a, 22b par l'intermédiaire de la section centrale d'échange de chaleur 20, puis sort du collecteur 22b d'où il est dirigé vers le brûleur et la turbine associée (ne figurent pas). Dans le procédé, les gaz d'échappement cèdent de la chaleur à l'air comprimé qui aliment la turbine associée, augmentant ainsi considérablement le rendement de fonctionnement de la turbine.

Les échangeurs de chaleur faits de sections de noyau telles que l'unité 10 de la figure 1 ont des dimensions variables pour équiper des installations de turbine à gaz d'une puissance variant de 5000 ch à 100 000 ch. Avec un système typique utilisant un échangeur de chaleur de ce type, de l'air ambiant entre à travers un filtre d'entrée et il est comprimé de 7 à 10 kg/cm2, atteignant une température de 315°C dans le compresseur de la turbine à gaz. Il est ensuite canalisé vers l'échangeur de chaleur où l'air est chauffé jusqu'à environ 480°C par le gaz d'échappement de la turbine. L'air chauffé est ensuite renvoyé aux chambres de combustion et de turbine. Le gaz d'échappement de la turbine se trouve à 590°C environ et à une pression ambiante essentiellement. La température du gaz d'échappement tombe à environ 315°C en passant à travers la section de noyau 10 puis est refoulé dans l'atmosphère à travers un corps d'échappement. En fait, la chaleur qui se serait perdue autrement est transférée à l'admission d'air de la turbine, diminuant ainsi la quantité de carburant qui est consommé pour faire fonctionner la turbine. Pour une turbine de 30 000 ch, le régénérateur chauffe 5 millions de kg d'air par jour en fonctionnement normal.

Le régénérateur est conçu pour fonctionner pendant 120 000 heures et 5000 cycles sans réparations, une vie de 15 à 20 ans en fonctionnement normal. Pour cela il faut que

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l'équipement soit capable de fonctionner aux températures d'échappement de la turbine à gaz de 590°C et de démarrer aussi vite que la turbine à gaz associée, de manière à ce qu'il n'y ait pas de perte de carburant pour amener l'installation aux températures de fonctionnement stabilisées. Il est clair que les échangeurs de chaleur de l'art antérieur sont destinés davantage à un fonctionnement continu de la turbine. Ainsi, de telles installations ont pu accepter une longue durée et la consommation de carburant supplémentaire nécessaire pour amener un tel échangeur de chaleur aux températures de fonctionnement stabilisées graduellement et pour refroidir l'ensemble lorsque l'on arrête la turbine. Cependant, le fonctionnement courant des turbines avec de fréquents cycles de démarrage-arrêt ne permettent plus d'accepter les limitations des régimes de démarrage et d'arrêt acceptables.

Certains régimes doivent être observés le démarrage et l'arrêt de la turbine pour tenir compte des limites de la structure pendant ces phases transitionnelles. Ainsi, lorsque l'on fait démarrer une turbine, on la porte d'abord à 20% de sa vitesse de fonctionnement, auquel moment la chambre de combustion s'allume. Ensuite, selon un programme comandé, la turbine est finalement amenée à sa vitesse de fonctionnement. Un programme semblable est suivi pendant l'arrêt. Il est important du point de vue de fonctionnement de l'ensemble que l'échangeur de chaleur puisse s'adapter au régime dicté par les contraintes structurelles de la turbine. L'utilisation des plaques fines, des ailettes et d'autres composants constituant la section du noyau du régénérateur brasé telle que l'unité 10 de la figure 1 contribuent à cette capacité.

Les figures 2 et 3 illustrent les gradients de températures rencontrés dans les échangeurs de chaleur du type décrit ici. La figure 2 montre un système nodal utilisé dans un modèle de calcul d'un régénérateur spécifique. Cela représente une partie 30 de la section du noyau 10 de la figure 1. Puisque le noyau est symmétrique, seulement la moitié du noyau est modelé. La section circulaire 32 est l'extrémité chaude du collecteur; le collecteur froid n'a pas été modelé parce qu'il ne se trouve pas dans une région de fatigue thermique potentielle.

La figure 3 est une courbe correspondant aux résultats de l'ordinateur des températures le long de la ligne grasse 34 de la figure 2 à partir de l'allumage de la turbine jusqu'à 600 secondes après allumage. La ligne grasse 36 dans la figure 3 représente les températures le long de la ligne 34 de la figure 2 pour le point 200 secondes après allumage, les ordonnées 1, 2,3, et 4 le long de la ligne 36 correspondant aux points 1,2, 3, et 4 le long de la ligne 34 de la figure 2.

En vertu de la construction de la section du noyau 10 de la figure 1, les parties limitrophes comprennent sur leur périphérie des éléments plus lourds (c'est-à-dire plus épais) que les plaques et ailettes à l'intérieur du noyau. On peut les voir dans la figure 4 comprenant les parties externes 40 des sections des collecteurs 22a, 22b et les barres latérales 42. Il a spécialement été prévu de diriger des fluides vers ces parties pour obtenir le chauffage ou le refroidissement pendant les phases de transition entre le fonctionnement stable et l'arrêt.

Dans la fabrication des sections de noyaux d'échangeurs de chaleur, chaque plaque tubulaire 12,18 possède une portion en anneau entourant les ouvertures des collecteurs respectifs, ladite portion étant décalée par rapport au plan de la plaque. On peut voir dans les figures 4 et 5 les anneaux 50 entourant les ouvertures des collecteurs 22a et 22b dans les plaques 12. Pour augmenter la résistance, une pluralité de bagues 52 encerclent les collecteurs 22a, 22b. A cause de l'épaisseur supplémentaire de ces bagues 52, par rapport aux plaques tubulaires fines 12, il y a un décalage thermique inhérent dans ce collecteur, particulièrement dans les parties externes 40 qui ne sont pas adjacentes à aucune des ailettes d'air et de gaz dans le reste du noyau de l'échangeur de chaleur. Ceci est compensé par l'utilisation de certaines parties des anneaux 50a, 50b (fig. 4) indiquées par les portions 54a et 54b, comme passages d'écoulement d'air vers et venant des collecteurs 22a, 22b et de l'air est spécialement dirigé à travers les ouvertures 56a, 56b. L'extrémité qui termine la portion 54a communique avec des ailettes d'air 60a du côté entrée qui, à son tour communique avec des ailettes d'air 62 le long des côtés du noyau de l'échangeur de chaleur dans la section centrale d'échange de chaleur. Des passages semblables à ailettes 60b prennent l'air des passages centraux 62 et le dirigent vers le passage à anneau 54b d'où il retourne au collecteur de sortie 22b à travers les ouvertures 56b. Des bouchons 58a et 58b sont montés dans les anneaux 50a et 50b pour dévier l'air passant à travers les passages à ailettes associés 60 et 62.

Comme le montre particulièrement la figure 6, qui est une vue d'une paire de plaques tubulaires 12', 12" dans la région du collecteur 22, la plaque supérieure 12" étant coupée pour montrer la plaque inférieure 12', les passages d'air associés 60 et quelques ailettes d'air 14 (voir fig. 1), ces derniers communiquant avec le collecteur 22, l'anneau 50 s'étendant autour de l'ouverture du collecteur 22 présente un bouchon 58 qui bloque ce passage. Comme le montre la figure 7, le bouchon 58 comprend deux pattes supérieure et inférieure 59 montées dans les sections d'anneau 50 de chaque côté des ailettes d'air 14 et ci-jointes. Une section de transition 62 de la plaque 12' marque le début de l'ouverture pour que les ailettes 14 s'étendant au travers des sections d'anneau 50 communiquent avec le collecteur 22. Une partie de transition semblable 64 marque un côté de l'ouverture 56. Entre les parties de transition 62 et 64, l'anneau 54 de la section tubulaire comprenant les plaques 12', 12" est isolé du collecteur 22. Des parties de transition semblables 64' et 64" marquent les frontières des ouvertures 56 entre le collecteur 22 et l'anneau 50.

Pendant le démarrage, par exemple, de l'air comprimé à une température élevée est introduit à travers le collecteur d'entrée 22a. Cet air passe le long des passages délimités par les ailettes 14 vers la partie centrale du noyau et élève la température en fonction de la température de l'air. Une partie de l'air est évacué automatiquement à travers les ouvertures 56 où il est forcé de s'écouler autour des parties externes du collecteur 40 pour chauffer aussi ces parties pendant que la section centrale du noyau est chauffée, limitant ainsi les gradients thermiques et les contraintes thermiques correspondantes entre les différentes parties du noyau de l'échangeur de chaleur. Lorsque la turbine est allumée, après que la température du noyau se soit élevée avec la chaleur de l'air comprimé comme décrit ci-dessus, les gaz d'échappement élèvent encore plus la température et on atteint ainsi les températures de fonctionnement continu stable au fur et à mesure que la turbine atteint sa vitesse de fonctionnement. Pendant cette phase de démarrage, les parties externes des collecteurs se trouvent dans le courant des gaz d'échappement de sorte qu'ils reçoivent de la chaleur directement des gaz d'échappement, mais celles situées du côté du collecteur de sortie continuent aussi à recevoir de la chaleur de l'écoulement d'air continu à travers les passages 54, cet air étant chauffé dans les passages d'air ailettés 60,62. Pendant la phase de mise a l'arrêt la turbine est ralentie pour réduire la vitesse et l'air passant à travers l'échangeur de chaleur refroidit, l'écoulement de cet air à travers les passages 54 à la périphérie du collecteur 22 servant à refroidir le collecteur en fonction de la température du reste du noyau de l'échangeur de chaleur.

La figure 8 illustre un dispositif pour contrôler la température des barres latérales 42', 42" pendant les phases de transition de fonctionnement. Une plaque latérale 18 et une pluralité de plaques internes 12 sont représentées, conjointement

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avec les ailettes d'air 14 et les ailettes de gaz 16 associées. Les barres latérales 42' et 42" sont d'une construction tubulaire creuse et d'un matériau plus lourd pour obtenir le support de structure désiré aux bords de la section du noyau 10. Ces barres latérales 42' et 42" sont ouvertes à l'écoulement des gaz d'échappement de la turbine et sont ainsi chauffées directement. Etant donné que ces barres latérales 42', 42" ont un échange de chaleur limité avec les ailettes d'air 14, elles absorbent de la chaleur des gaz d'échappement à température montante pendant la phase de démarrage en plus grande quantité, correspondant à leur plus grande masse et à leur tendance au décalage thermique. Ainsi le taux d'augmentation de température des barres latérales 42', 42" est maintenu proportionnel à la structure interne des ailettes de gaz 16 et d'air 14. Les extrémités opposées des barres latérales 42' ont une section réduite pour limiter l'écoulement contrôlé des gaz d'échappement à travers ces barres latérales. Ceci est obtenu de préférence en ondulant les extrémités, comme on le voit dans la coupe de l'extrémité de la barre latérale 42' de la figure 9. La barre latérale la plus au-dessus (fig. 8) adjacente à la plaque latérale 18 ne présente pas un tel resserrement à cause de son besoin d'avoir de la chaleur supplémentaire provenant des gaz d'échappement s'écoulant au travers, s Ainsi, le dispositif décrit fournit des passages d'écoulement de fluides avec une direction particulière pour dévier et diriger les fluides d'échange de chaleur sur des parties sélectionnées du noyau de l'échangeur de chaleur qui serait autrement soumis à de fortes contraintes thermiques résultant de io leur situation sur la périphérie du noyau de l'échangeur de chaleur. Ceci est réalisé sans pièces mobiles, telles que des aubes, des déflecteurs ou autres, et conçu pour diriger les fluides de chauffage ou de refroidissement respectifs vers ces parties périphériques automatiquement selon les besoins de 15 compensation des températures pendant les étapes de transition en cours de fonctionnement. Line fois que le système a été amené à des températures de fonctionnement stabilisé, les passages de préchauffage continuent de faire partie de tout l'ensemble d'échange de chaleur.

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1 feuille dessins