FR2717255A1 - Procédé et dispositif d'échange thermique, utilisant comme fluide primaire chauffant de la vapeur d'eau circulant en circuit fermé. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'échange thermique entre de la vapeur d'eau, circulant dans un circuit primaire fermé comprenant un moyen de chauffage (21), et un second fluide, circulant dans un circuit secondaire, le circuit primaire et le circuit secondaire étant en contact thermique au travers d'une surface, suivant une partie de leur longueur respective, les condensats formés par la vapeur d'eau refroidie étant recyclés à l'aide d'une pompe vers le moyen de chauffage. La pompe du circuit primaire est une pompe non auto-amorçante (19) asservie à la pression régnant en amont de son orifice d'aspiration, de façon à ne se mettre en marche que lorsque cette pression dépasse une première valeur prédéterminée et à s'arrêter lorsque cette pression devient inférieure à une seconde valeur prédéterminée.

Description

Procédé et dispositif d'échange thermique, utilisant conte fluide primaire chauffant de la vapeur d'eau circulant en circuit ferme.

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'échange thermique, utilisant comme fluide primaire chauffant de la vapeur d'eau. Elle concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de ce type utilisant un système de pompage des condensats de la vapeur d'eau.

Dans les échangeurs utilisant de la vapeur comme fluide primaire, les condensats produits par cette vapeur peuvent être soit rejetés, soit récupérés. Dans ce dernier cas, il faut les recycler à la chaufferie et les réinjecter dans la chaudière. Dans ce but, on doit utiliser une pompe
- le plus généralement, pour le retour des condensats à la chaufferie, même si, parfois, on utilise la pression de la vapeur,
- quasiment toujours, pour leur réinjection dans la chaudière.

C'est aux installations comportant une pompe que s'intéresse la présente invention.

Dans l'état actuel de la technique, deux types de pompage des condensats sont utilisés.

Dans un premier type, les condensats sont recueillis dans une bâche à lair libre, d'où ils sont pompés et retournés à la chaufferie à l'aide d'une pompe centrifuge, sous réserve que les caractéristiques techniques de la pompe, définies par son N.P.S.H., soient compatibles avec la température des condensats et la hauteur de charge à l'aspiration.

Cette solution présente l'avantage que les pompes centrifuges sont d'un coût modéré, mais, en revanche, elle présente des inconvénients sérieux ;
- d'une part, il n'est pas possible d'avoir des condensats à plus de 1000C, car ils se vaporiseraient lors de la mise à l'air libre, avec pour conséquence une perte de chaleur, une perte d'eau et la formation de buées importantes
- d'autre part, pour que la pompe ne cavite pas en raison de la présence de bulles de vapeur à l'aspiration, il est nécessaire, dans la pratique, même avec une pompe centrifuge, soit de limiter la température des condensats recueillis dans la bâche aux environs de 800C, soit de positionner la pompe très en-dessous de la bâche ;
- enfin, les condensats dissolvant de l'oxygène de l'air, des corrosions sont susceptibles de se produire dans les canalisations ou dans les chaudières.

Dans un second type d'installation, les condensats ne sont pas mis à l'air libre, mais ils sont retournés à la chaufferie à l'aide d'une pompe à anneau liquide autoamorçante. Les inconvénients mentionnés précédemment sont supprimés, mais une pompe auto-amorçante est généralement onéreuse et son fonctionnement quelque peu bruyant.

La présente invention vise à supprimer les inconvénients qui viennent d'être évoqués, en proposant l'utilisation d'une pompe non auto-amorçante, sur le circuit primaire fermé d'un échangeur thermique dans lequel de la vapeur d'eau est utilisée comme fluide chauffant, pour ramener les condensats à la chaufferie, en asservissant le fonctionnement de cette pompe à la pression régnant en amont de la pompe.

La présente invention a par conséquent pour objet un procédé d'échange thermique entre de la vapeur d'eau, circulant dans un circuit primaire fermé comprenant un moyen de chauffage, et un second fluide, circulant dans un circuit secondaire, le circuit primaire et le circuit secondaire étant en contact thermique au travers d'une surface, suivant une partie de leur longueur respective, les condensats formes par la vapeur d'eau refroidie étant recyclés à laide d'une pompe vers le moyen de chauffage, à l'aide duquel ils sont à nouveau vaporisés, ce procédé étant caractérisé en ce que la pompe du circuit primaire est une pompe non auto-amorçante asservie à la pression régnant en amont de son orifice d'aspiration, de façon à ne se mettre en marche que lorsque cette pression dépasse une première valeur prédéterminée et à s'arrêter lorsque cette pression devient inférieure à une seconde valeur prédéterminée.

L'invention a également pour objet un dispositif d'échange thermique comprenant un circuit primaire fermé, dans lequel circule de la vapeur d'eau, et un circuit secondaire, dans lequel circule un second fluide, le circuit primaire et le circuit secondaire étant en contact thermique au travers d'une surface, suivant une partie de leur longueur respective, le circuit primaire comprenant un moyen de chauffage et, en amont de celui-ci, une pompe apte à recycler vers ce moyen de chauffage les condensats résultant de la condensation de la vapeur d'eau, ce dispositif étant caractérisé en ce que la pompe est une pompe non auto-amorçante, asservie à la pression régnant en amont de son orifice d'aspiration, de façon à ne se mettre en marche que lorsque cette pression est supérieure à une première valeur prédéterminée et à arrêter lorsque cette pression devient inférieure à une seconde valeur prédéterminée.

L'avantage de ce procédé et de ce dispositif est que la pompe ne sera mise en service que lorsque la pression à l'aspiration sera supérieure à une valeur préfixée, tenant compte des caractéristiques de la pompe et de son N.P.S.H.

Comme on le verra ci-après plus en détail, dans la description qui suivra de diverses formes de mise en oeuvre de l'invention, l'invention s'applique aussi bien à des dispositifs comprenant des échangeurs du type dit à faisceau noyé, dans lesquels les condensats sont retenus, afin d'être refroidis par le fluide secondaire, qu'à des échangeurs-condenseurs, dans lesquels les condensats sont évacués au fur et à mesure de leur formation.

Dans les deux cas, il pourra y avoir avantage à utiliser plusieurs pompes en parallèle, afin d'assurer une plus grande sécurité de fonctionnement, mais aussi pour ajuster plus facilement le débit de refoulement des pompes au débit de la vapeur, les différentes pompes pouvant se mettre en marche successivement, à des valeurs différentes prédéterminées de la pression régnant en amont et/ou s'arrêter successivement, pour des valeurs différentes prédéterminées de cette pression, de façon à obtenir une meilleure progressivité du débit de refoulement.

Avantageusement, également, afin d'éviter des mises en fonctionnement trop fréquentes de la ou des pompes et d'ajuster dans ce but le débit de refoulement au débit de vapeur, on pourra prévoir, au refoulement de la pompe, un limiteur de débit ou un diaphragme, ou encore imposer une contre-pression fixe au refoulement, à l'aide d'un déverseur par exemple. On pourra aussi faire varier dans ce but la vitesse du moteur actionnant la pompe, de façon que le débit de la pompe diminue lorsque la pression diminue en amont. On notera que, lorsque le moyen de chauffage du circuit comprend une chaudière à vapeur, une contrepression est automatiquement exercée au refoulement de la pompe.

Lorsque le dispositif conforme à l'invention est mis en oeuvre avec un échangeur à faisceau noyé, il peut être avantageux de prévoir une différence de pression relativement importante entre la pression à laquelle la pompe du circuit primaire se met en marche et celle pour laquelle elle arrête de fonctionner. Lorsque la pompe n'est pas en service, le niveau du condensat s'élève progressivement dans l'échangeur, avec pour effet que la surface d'échange des tubes, pour la condensation de la vapeur, diminue de plus en plus. La pression de vapeur augmente ainsi jusqu'à une première valeur provoquant la mise en service de la pompe. Inversement, quand la pompe fonctionne, le niveau des condensats s'abaisse, ce qui augmente la surface d'échange pour la condensation de la vapeur et une diminution de la pression jusqu'à une seconde valeur provoquant l'arrêt de la pompe.

Avec ce type d'échangeur à faisceau noyé, toujours dans le but d'éviter une mise en service trop fréquente de la ou des pompes d'évacuation des condensats, il peut être avantageux d'augmenter le volume primaire de l'échangeur, en équipant celui-ci d'une capacité additionnelle, par exemple disposée coaxialement à sa périphérie sur une partie de sa hauteur et communiquant avec le volume interne de l'échangeur. Cette capacité aura une dimension aussi courte que possible, parallèlement à l'axe de l'échangeur, et sera disposée sensiblement à mi-hauteur du corps de l'échangeur, c'est-à-dire à un niveau intermédiaire où l'on peut avoir alternativement présents dans cette capacité de la vapeur et des condensats.

Dans le cas de l'utilisation d'un échangeurcondenseur, il n'est pas pertinent d'augmenter le volume du circuit primaire de l'échangeur, puisqu'il ne contient en permanence que de la vapeur.

L'invention propose alors de prévoir, dans le circuit vapeur du dispositif, en amont de la pompe non autoamorçante et en aval de l'échangeur-condenseur, à un niveau inférieur à celui-ci, une capacité, connectée au volume primaire de l'échangeur et destinée à servir de réserve de condensats pour alimenter la pompe.

Cette capacité sera de préférence reliée à l'échangeur- condenseur par une ou plusieurs tuyauteries de gros diamètre, à forte pente descendante. L'aspiration de la pompe pourra être située à un niveau supérieur à celui de la capacité.

Naturellement, l'asservissement de la pompe devra être tel (1) qu'elle ne fonctionne que quand il y a des condensats à l'aspiration, (2) qu'elle ne se mette en marche que quand la capacité est pleine de condensats, (3) qu'elle ne fonctionne que si les conditions de bon fonctionnement de la pompe sont réunies à savoir
X > Xse + NPSH,
X étant la pression à l'aspiration Xee étant la pression de vaporisation des condensats à leur température et NPSH étant la caractéristique d'aspiration de la pompe.

Cette relation peut être satisfaite car, du fait de leur ruissellement sur la surface d'échange, la température des condensats peut être assez sensiblement inférieure à celle de la vapeur. De toute façon, cette température des condensats devra être contrôlée.

A cet effet, on pourra prévoir dans la capacité un contrôleur de niveau haut, qui commande la mise en marche de la pompe lorsque ce niveau est atteint, et un contrôleur de niveau bas, qui arrête la pompe lorsque ce niveau est atteint. Un refroidisseur de purges (tuyau, ailettes), dimensionné pour refroidir à une température inférieure à 1000C les condensats provenant de la purge automatique de la haute pression, pourra être raccordé sur le collecteur de refoulement de la ou des pompes.

En variante, il est possible, tout en conservant un détecteur de niveau haut dans la capacité, de substituer au contrôleur de niveau bas un diaphragme disposé à la sortie de la capacité et un purgeur situé en aval de la capacité. Lorsque de la vapeur arrive dans le diaphragme, elle crée une forte perte de charge et un pressostat arrête alors la pompe.

Ces diverses formes de réalisation de l'invention seront décrites ci-après en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
Les figures 1 et 2 illustrent deux dispositifs conformes à l'invention utilisant un échangeur à faisceau noyé
Les figures 3 et 4 illustrent deux dispositifs conformes à l'invention utilisant un échangeur-condenseur.

On se référera d'abord à la figure 1.

Dans cette forme de mise en oeuvre, on utilise un échangeur thermique du type dit Mà faisceau noyée 1, dont le corps de l'échangeur 3 constitue le circuit primaire.

Le corps de l'échangeur 3 reçoit la vapeur par une conduite d'admission supérieure 7. Les deux boîtes à eau 9a, 9b, sont remplies d'eau et reliées l'une à l'autre par un faisceau tubulaire vertical 11 traversant le corps de l'échangeur 3. Cet ensemble constitue le circuit secondaire de l'échangeur, alimenté en eau à partir de la boîte à eau inférieure 9a, l'eau réchauffée étant évacuée vers la boîte à eau supérieure 9b, comme indiqué par des flèches. La cuve comporte en son niveau médian une capacité additionnelle 13 coaxiale au corps de l'échangeur 3 et en communication avec celui-ci par des trous de passage haut et bas 15. Le corps est en outre relié à sa partie basse à une conduite de sortie 17 des condensats, menant à une pompe centrifuge 19 et à une chaufferie 21, où les condensats sont à nouveau vaporisés.

L'ensemble fonctionne ainsi en cycle fermé, sans apport d'eau, la chaufferie alimentant en vapeur directement le circuit primaire de l'échangeur. La pompe est entraînée de façon classique par un moteur électrique et ses contacteurs de mise en route sont reliés à une armoire de commande 23. Cette armoire reçoit les informations de deux capteurs, respectivement un capteur de température T du condensat, en sortie d'échangeur, et un capteur de pression statique X ou pressostat, sur le collecteur d'admission de la pompe. Pour son bon fonctionnement, la pompe doit respecter la relation de pompage de fluide X > Xse + N.P.S.H., X étant la pression statique à l'aspiration, Xse la pression de saturation des condensats à la température du fluide et N.P.S.H. sa caractéristique d'aspiration. La pompe fonctionne dans un intervalle autorisé de variation de la pression à l'aspiration (P1, PO) correspondant au déclenchement de la pompe à un niveau haut du condensat dans la capacité et à son interruption à un niveau bas, respectivement, les valeurs P1, PO encadrant une pression moyenne de vapeur en régime normal de l'échangeur. La pression X augmente lorsque la cuve se remplit de condensat, car le volume de vapeur se réduit, ceci jusqu'à un certain niveau où elle atteint la valeur P1, à partir duquel elle diminue au fur et à mesure du pompage du condensat, jusqu'à la valeur PO correspondant à un niveau limite inférieur où une réserve suffisante de condensat subsiste dans la cuve. La capacité additionnelle 13 a un volume égal à environ un vingtième du débit horaire de la pompe. La pompe, dont le débit est adapté à celui de la production de condensats par l'échangeur, pourra ainsi fonctionner sur une séquence suffisamment prolongée correspondant au pompage d'un volume des condensats supérieur à la capacité additionnelle. Sa mise en marche est commandée à la pression P1 et est interrompue à la valeur PO, la pression
X devant satisfaire dans tous les cas la relation précitée de fonctionnement sans cavitation du pompage.

La figure 2 illustre une application de l'invention à un échangeur, également de type à faisceau noyé, mais dont le circuit primaire est un tube en serpentin 25 logé dans la cuve de l'échangeur. Une capacité additionnelle externe 29 est reliée aux parties d'extrémité haute et basse externes 31 du serpentin, et sensiblement à un niveau de hauteur médian de celui-ci. La cuve constitue le circuit secondaire de l'échangeur alimenté en partie inférieure selon 33, avec évacuation du fluide réchauffé au niveau supérieur 35, suivant les flèches indiquées. La vapeur du circuit primaire arrive en partie haute du serpentin et les condensats formés s'accumulent à la partie basse et remplissent au fur et à mesure de leur formation la capacité additionnelle. Le dispositif de pompage 37 est analogue à celui de la figure 1. De même que précédemment, le fonctionnement de la pompe est asservi par l'intermédiaire de l'armoire de commande 38 à la pression à l'aspiration X et à la température des condensats (T) selon un écart de pression P1, Po, dans un régime moyen de fonctionnement, en respectant la relation X < Xse +
N.P.S.H.

La figure 3 illustre une application à un échangeur condenseur 39. Les échangeurs de ce type ne fonctionnent pas avec la partie basse du circuit vapeur remplie de condensat comme les échangeurs à faisceau noyé. Il n'est donc pas possible de tenir compte de cette réserve de condensat, en échange thermique avec le circuit secondaire. Il faut prévoir, par conséquent, une capacité de réserve à un niveau géométrique inférieur à celui de l'échangeur ou des échangeurs en service, formant tampon volumétrique pour le fonctionnement séquentiel de la pompe et réserve d'eau pour la pompe non auto-amorçante. Il faudra ainsi prévoir le contrôle de vidange de la capacité à un niveau inférieur limite d'amorçage et contrôler la température des condensats en sortie de cette capacité pour empêcher tout phénomène de cavitation du fluide lors du pompage en respectant la relation de pompage précitée.

Dans l'exemple représenté, le circuit primaire 39 recevant la vapeur selon la flèche 42 au niveau supérieur est en forme de bol échangeur thermique contenant un fluide 43 à réchauffer et constituant le circuit secondaire. Une capacité cylindrique 45 est reliée au niveau inférieur médian du bol par un conduit vertical 47 de gros diamètre. De même, cette capacité est reliée à sa partie inférieure à une pompe 49 de type centrifuge (non auto-amorçante) qui peut, si nécessaire, être disposée plus haut que la sortie de la capacité. La pompe sera commandée en fonctionnement par une armoire de commande 51 reliée, comme précédemment, à un pressostat X déterminant la pression statique X du fluide au collecteur d'admission de la pompe et à un thermostat. L'armoire de commande est en outre reliée à un contrôleur de niveau haut (H) déclenchant le pompage et à un contrôleur de niveau bas (B) déterminant la réserve limite de la pompe et interrompant son fonctionnement. Une électrovanne 53 peut en outre être prévue sur le circuit de pompage, si nécessaire, par exemple si la contrepression au refoulement de la pompe est inférieure à la pression de vapeur dans l'échangeur. Cette électrovanne se ferme au niveau bas (B) de la capacité et elle s'ouvre sous la commande de l'unité de commande ou niveau haut (H).

En variante, on peut, comme représenté à la figure 4, supprimer le contrôleur de niveau B et le remplacer par un diaphragme 55 et un purgeur 57, le passage de la vapeur dans le diaphragme à la vidange de la capacité créant une augmentation importante de la perte de charge détectée par le pressostat, qui arrête la pompe.

Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et elle est applicable à d'autres systèmes d'échangeurs. Dans le cas des échangeurs à faisceau noyé, il peut être prévu une capacité commune en parallèle, dont les niveaux haut de remplissage et bas de vidange sont communs. Par contre, pour les échangeurs condenseurs, il n'est pas utile de respecter cette condition, la capacité devant être située au niveau le plus bas des échangeurs.

De même, comme indiqué ci-dessus, on peut utiliser une ou plusieurs pompes de capacités différentes et dont l'adaptation de débit cumulé de refoulement est commandée en fonction du débit de l'échangeur, par exemple en cascade selon la pression ou le niveau dans la capacité, ou en ajustant leur débit par variation de leur régime de rotation, limitation de leur débit (par des limiteurs de débit) ou par imposition d'une pression de refoulement (par un déverseur au refoulement ... etc).

Claims (13)

REVENDICATIOXS

1. Procédé d'échange thermique entre de la vapeur d'eau, circulant dans un circuit primaire fermé comprenant un moyen de chauffage (21), et un second fluide, circulant dans un circuit secondaire, le circuit primaire et le circuit secondaire étant en contact thermique au travers d'une surface, suivant une partie de leur longueur respective, les condensats formés par la vapeur d'eau refroidie étant recyclés à l'aide d'une pompe vers le moyen de chauffage, à l'aide duquel ils sont à nouveau vaporisés, ce procédé étant caractérisé en ce que la pompe du circuit primaire est une pompe non auto-amorçante (19, 37, 49) asservie à la pression régnant en amont de son orifice d'aspiration, de façon à ne se mettre en marche que lorsque cette pression dépasse une première valeur prédéterminée et à s'arrêter lorsque cette pression devient inférieure à une seconde valeur prédéterminée.

2. Dispositif d'échange thermique comprenant un circuit primaire fermé, dans lequel circule de la vapeur d'eau, et un circuit secondaire, dans lequel circule un second fluide, le circuit primaire et le circuit secondaire étant en contact thermique au travers d'une surface, suivant une partie de leur longueur respective, le circuit primaire comprenant un moyen de chauffage (21) et, en amont de celui-ci, une pompe apte à recycler vers ce moyen de chauffage les condensats résultant de la condensation de la vapeur d'eau, ce dispositif étant caractérisé en ce que la pompe est une pompe non autoamorçante (19, 37, 49), asservie à la pression régnant en amont de son orifice d'aspiration, de façon à ne se mettre en marche que lorsque cette pression est supérieure à une première valeur prédéterminée et à s'arrêter lorsque cette pression devient inférieure à une seconde valeur.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit primaire comporte une pluralité de pompes (19, 37, 49) disposées en parallèle en amont du moyen de chauffage, les différentes pompes étant asservies à la pression régnant en amont pour être mises en service successivement à des premières valeurs prédéterminées différentes de cette pression amont et/ou pour s'arrêter successivement, pour des secondes valeurs prédéterminées différentes de cette pression.

4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on dispose sur le circuit primaire, au refoulement de ladite pompe (19, 37, 49), un limiteur de débit ou un diaphragme.

5. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse du moteur actionnant la ou lesdites pompes (19, 37, 49) est asservie à la pression régnant en amont de la pompe, de façon telle que le débit de la pompe diminue lorsque la pression s'abaisse.

6. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une contrepression fixe est imposée au refoulement de la ou desdites pompes (19, 37, 49).

7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'échange thermique entre le circuit primaire et le circuit secondaire s'effectue dans un échangeur à faisceau tubulaire noyé, et en ce que l'on adjoint à cet échangeur une capacité additionnelle (13, 29) communiquant avec le circuit primaire de lfechangeur et disposée dans une position telle que puissent être alternativement présents dans cette capacité de la vapeur et des condensats.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la capacité (13) est disposée coaxialement à la cuve de l'échangeur (3), sensiblement à mi-hauteur de celui-ci.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la capacité (29) est disposée à l'extérieur de l'échangeur (27) et est en communication avec l'entrée de vapeur de cet échangeur et la sortie de condensats, en amont de ladite pompe (37).

10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'échange thermique entre le circuit primaire et le circuit secondaire s'effectue dans un échangeur-condenseur (39) et en ce qu'en aval de celui-ci et en amont de la pompe (49) est interposée sur le circuit primaire une capacité (45), disposée à un niveau inférieure à celui de l'échangeur et apte à recueillir les condensats pour alimenter la pompe (49).

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pompe est asservie à un contrôleur de niveau haut disposé dans la capacité (45), qui commande sa mise en service.

12. Dispositif selon la revendication 11; caractérisé en ce que la pompe est asservie à un contrôleur de niveau bas, disposé dans la capacité (45), qui commande son arrêt.

13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en qu'un diaphragme (55) est prévu à la sortie de la capacité (45) ainsi qu'un pressostat apte à commander l'arrêt de la pompe.