FR2998359A1 - Hot object storage device, has tubular siphon device formed with connecting opening that is matched at bottom part of bottom loop, pipeline connected with siphon device, and convection fluid supplying unit provided with top end part - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne la récupération de chaleur en milieu industriel et, notamment, la récupération de chaleur dégagée par des produits chauds par exemple lors de leur stockage. La chaleur récupérée est par exemple utilisée pour chauffer un fluide et diminuer la consommation énergétique d'une installation. De nombreuses installations industrielles, et notamment les installations de traitement thermique, nécessitent, pour fonctionner, de consommer une quantité relativement importante d'énergie. Cette énergie résulte principalement de la combustion de matières fossiles comme le charbon, les hydrocarbures ou le gaz, ou peut être d'origine nucléaire lorsqu'elle est consommée sous forme d'électricité. Pour un industriel, l'énergie représente, en terme d'achat, un coût important qui ne cesse d'augmenter et tant sa production que sa consommation engendrent des pollutions qu'il est nécessaire de traiter, augmentant encore les dépenses liées à l'énergie. Il en résulte une volonté croissante de diminuer la consommation énergétique des installations industrielles. Parmi les axes de recherche les plus couramment explorés à cette fin, on trouve l'optimisation des consommations énergétiques et la diminution des pertes énergétiques, le recours à des énergies renouvelables... En prenant comme exemple un procédé de traitement thermique mis en oeuvre au moyen d'un four fonctionnant par combustion de gaz naturel, il a été envisagé de : - diminuer la consommation de gaz naturel en améliorant le rendement des brûleurs, le transfert de chaleur vers les produits à chauffer et l'isolation thermique du four, - récupérer la chaleur au voisinage des brûleurs, on parle alors de brûleurs régénératifs, ou dans les fumées émanant du four, - utiliser la chaleur récupérée par exemple pour préchauffer l'air dans le four. Ce type de mesure permet de réaliser des économies substantielles mais engendrent d'autres coûts liés en particulier à l'achat et à la maintenance des dispositifs de récupération de chaleur. En effet, ces dispositifs de récupération de chaleur sont généralement formés d'un échangeur de chaleur à fluide caloporteur circulant dans un circuit relié à une pompe de circulation commandée par une unité de régulation. Un but de l'invention est de proposer une solution permettant d'améliorer la récupération de chaleur dans les installations industrielles en particulier lorsque des produits chauffés sont laissés à l'air libre pour refroidir. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif récupérateur de chaleur, comprenant au moins un circuit inférieur fermé de captage de chaleur par rayonnement thermique, des thermosiphons tubulaires ayant une portion d'extrémité ouverte raccordée au circuit inférieur et une portion d'extrémité supérieure close, et une conduite de fluide en circulation libre qui s'étend transversalement aux thermosiphons et qui reçoit les portions d'extrémité supérieures des thermosiphons, le circuit inférieur et les thermosiphons formant un circuit sous vide contenant un fluide caloporteur de travail susceptible de s'évaporer sous l'effet du rayonnement et de monter dans les thermosiphons pour se condenser dans la portion d'extrémité supérieure après transfert de chaleur par convection au fluide présent dans la conduite supérieure. Ce dispositif présente de nombreux avantages. En particulier, son fonctionnement ne nécessite pas de pompe pour assurer la circulation des fluides : aucun organe 35 mobile ni de source d'énergie externe ne sont obligatoires et aucune régulation n'est nécessaire. Il en résulte une grande fiabilité et une maintenance réduite. Ce dispositif nécessite en outre un faible investissement tant à l'achat qu'à l'entretien. De plus, comme le dispositif exploite la chaleur latente liée au changement d'état du fluide caloporteur de travail, les transferts de chaleur pour un écart de température donné sont relativement importants. L'invention a également pour objet une installation de stockage de produits chauds comprenant une enceinte délimitant une zone de réception des produits chauds et au moins un dispositif de récupération de chaleur du type ci-dessus monté au-dessus de la zone de réception.The present invention relates to the recovery of heat in an industrial environment and, in particular, the recovery of heat released by hot products, for example during storage. The recovered heat is for example used to heat a fluid and reduce the energy consumption of an installation. Many industrial installations, and especially heat treatment installations, require, in order to operate, to consume a relatively large amount of energy. This energy results mainly from the combustion of fossil materials such as coal, hydrocarbons or gas, or can be of nuclear origin when it is consumed in the form of electricity. For an industrialist, energy represents, in terms of purchase, a significant cost that continues to increase and both its production and its consumption generate pollution that must be treated, further increasing the expenses related to energy. The result is a growing desire to reduce the energy consumption of industrial installations. Among the research axes most commonly explored for this purpose, we find the optimization of energy consumption and the reduction of energy losses, the use of renewable energies ... Taking as an example a heat treatment process implemented at By means of a furnace operating by combustion of natural gas, it has been envisaged to: - reduce the consumption of natural gas by improving the efficiency of the burners, the heat transfer to the products to be heated and the thermal insulation of the furnace, - recover the heat in the vicinity of the burners, it is called regenerative burners, or in the fumes emanating from the oven, - use the recovered heat for example to preheat the air in the oven. This type of measurement provides substantial savings but generates other costs related in particular to the purchase and maintenance of heat recovery devices. Indeed, these heat recovery devices are generally formed of a heat transfer fluid heat exchanger circulating in a circuit connected to a circulation pump controlled by a control unit. An object of the invention is to provide a solution for improving the heat recovery in industrial facilities especially when heated products are left in the open air to cool. For this purpose, there is provided, according to the invention, a heat recovery device, comprising at least one closed bottom heat collection circuit by thermal radiation, tubular thermosiphons having an open end portion connected to the lower circuit and a portion closed upper end, and a free-flowing fluid line which extends transversely to the thermosyphons and which receives the upper end portions of the thermosyphons, the lower circuit and the thermosyphons forming a vacuum circuit containing a heat-transfer fluid capable of evaporating under the effect of radiation and mounting in the thermosyphons to condense in the upper end portion after heat transfer by convection to the fluid in the upper conduit. This device has many advantages. In particular, its operation does not require a pump to ensure the flow of fluids: no movable member or external energy source are required and no regulation is necessary. This results in high reliability and low maintenance. This device also requires a small investment in both purchase and maintenance. In addition, since the device exploits the latent heat associated with the change of state of the working heat transfer fluid, the heat transfers for a given temperature difference are relatively important. The invention also relates to a hot product storage facility comprising an enclosure defining a hot product receiving zone and at least one heat recovery device of the above type mounted above the receiving zone.
Le rayonnement thermique émanant des produits chauds va venir chauffer le fluide de travail caloporteur dans le circuit inférieur. Le fluide de travail va s'évaporer avant de se recondenser dans la portion d'extrémité supérieure des thermosiphons en cédant sa chaleur par convection au fluide présent dans la conduite supérieure. On comprend que la récupération de chaleur est d'autant plus efficace que le circuit inférieur est proche des produits chauffés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif récupérateur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie de la zone II de la figure 1 - la figure 3 est une vue schématique d'une installation de stockage conforme à l'invention, montée en aval d'une installation de traitement thermique. En référence aux figures, le dispositif de récupération de chaleur conforme à l'invention est ici utilisé dans une installation 100 de stockage de produits chauds. L'installation de stockage 100 comporte une enceinte 101 qui délimite une zone de réception 102 de produits chauds. Des dispositifs de récupération de chaleur généralement désignés en 1 sont montés dans l'enceinte 101 au-dessus de la zone de réception 102. L'installation de stockage 100 est disposée en aval d'une installation 200 de traitement thermique de produits métalliques tels que des brames, des poutrelles, des tôles... L'installation de traitement thermique 200 est connue en elle-même et comprend par exemple un four pourvu de brûleurs alimentés en air via un circuit d'alimentation 201. Chaque dispositif de récupération 1 comprend au moins un circuit inférieur 2, fermé, de captage de chaleur par rayonnement thermique, des thermosiphons 3 tubulaires ayant une portion d'extrémité inférieure 3.1 ouverte raccordée au circuit inférieur 2 et une portion d'extrémité supérieure 3.2 close, et une conduite supérieure 4 qui s'étend transversalement aux thermosiphons 3 et qui reçoit les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons. La conduite supérieure 4 a une section transversale rectangulaire et comporte une paroi inférieure plane et horizontale qui est traversée par les thermosiphons 3. La conduite supérieure 4 a ses extrémités pourvues respectivement de moyens de sa liaison a une prise d'air extérieur et de moyens de sa liaison au circuit d'alimentation 201 pour transporter l'air prélevé à l'extérieur et chauffé dans la conduite supérieure 4 jusqu'aux brûleurs du four de traitement thermique. Il est ainsi réalisé un préchauffage de l'air qui sera mêlé au gaz pour constituer le mélange qui sera brûlé dans le four de traitement thermique. On notera que les portions d'extrémité supérieure 3.2 des thermosiphons 3 s'étendent sur toute la hauteur de la conduite supérieure 4 de telle manière que l'air présent dans la conduite 4 soit forcément amené au contact desdites portions d'extrémité supérieures 3.2.The thermal radiation emanating from the hot products will come to heat the coolant working fluid in the lower circuit. The working fluid will evaporate before recondensing in the upper end portion of the thermosyphons by yielding its heat by convection to the fluid present in the upper conduit. It is understood that the heat recovery is more effective than the lower circuit is close to the heated products. Other features and advantages of the invention will emerge on reading the following description of particular non-limiting embodiments of the invention. Reference is made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic perspective view of a recovery device according to the invention, FIG. 2 is an enlarged view of zone II of FIG. Figure 3 is a schematic view of a storage facility according to the invention, mounted downstream of a heat treatment plant. With reference to the figures, the heat recovery device according to the invention is here used in a hot product storage installation 100. The storage facility 100 includes an enclosure 101 which delimits a receiving zone 102 of hot products. Heat recovery devices generally designated 1 are mounted in the enclosure 101 above the reception zone 102. The storage installation 100 is disposed downstream of a heat treatment plant 200 of metal products such as slabs, beams, plates ... The heat treatment plant 200 is known per se and comprises for example a furnace provided with burners fed with air via a feed circuit 201. Each recovery device 1 comprises at least one lower circuit 2, closed, heat capture by thermal radiation, tubular thermosyphons 3 having a lower end portion 3.1 open connected to the lower circuit 2 and a top end portion 3.2 close, and an upper pipe 4 which extends transversely to the thermosyphons 3 and which receives the upper end portions 3.2 of the thermosyphons. The upper pipe 4 has a rectangular cross-section and has a flat horizontal bottom wall through which the thermosyphons 3. The upper pipe 4 has its ends provided respectively with means for connecting it to an external air intake and cooling means. its connection to the supply circuit 201 for transporting the air drawn outside and heated in the upper pipe 4 to the burners of the heat treatment furnace. It is thus achieved a preheating of the air which will be mixed with the gas to form the mixture which will be burned in the heat treatment furnace. It will be noted that the upper end portions 3.2 of the thermosyphons 3 extend over the entire height of the upper pipe 4 in such a way that the air present in the pipe 4 is necessarily brought into contact with the said upper end portions 3.2.
Le dispositif comporte ici plusieurs circuits inférieurs 2 sous forme chacun d'une canalisation horizontale le long de laquelle sont piqués les thermosiphons 3. Les thermosiphons 3 sont fixés aux canalisations du circuit inférieur 2 de manière à assurer une étanchéité entre les thermosiphons 3 et chaque canalisation dans laquelle ils sont piqués. Les thermosiphons 3 s'étendent verticalement et les canalisations des circuits inférieurs 3 s'étendent parallèlement à la conduite supérieure 4.The device here comprises several lower circuits 2 each in the form of a horizontal pipe along which the thermosyphons 3 are stitched. The thermosyphons 3 are attached to the pipes of the lower circuit 2 so as to ensure a seal between the thermosyphons 3 and each pipe. in which they are stitched. The thermosyphons 3 extend vertically and the pipes of the lower circuits 3 extend parallel to the upper pipe 4.
Les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons 3 sont pourvues extérieurement d'ailettes 3.3. Ces ailettes 3.3 permettent d'augmenter les possibilités d'échange thermique par convection entre les portions d'extrémité supérieures 3.2 des thermosiphons 3 et l'air circulant dans la conduite supérieure 4. Pour faciliter le montage des thermosiphons sur la conduite supérieure 4, les portions d'extrémité supérieures 3.2 peuvent être rapportées sur les portions d'extrémité inférieures 3.1. Les ailettes peuvent aussi être rapportées sur les portions d'extrémité supérieures 3.2 après que celles-ci ont été mises en place au travers de la paroi inférieure plane de la conduite supérieure 4 et avant que ladite paroi inférieure plane ne soit recouverte des autres parois constituant la conduite supérieure 4.The upper end portions 3.2 of the thermosyphons 3 are provided externally with fins 3.3. These fins 3.3 make it possible to increase the possibilities for convective heat exchange between the upper end portions 3.2 of the thermosyphons 3 and the air flowing in the upper duct 4. In order to facilitate the assembly of the thermosyphons on the upper duct 4, the upper end portions 3.2 may be reported on the lower end portions 3.1. The fins may also be attached to the upper end portions 3.2 after they have been put in place through the flat bottom wall of the upper pipe 4 and before said flat bottom wall is covered with the other walls constituting the upper pipe 4.
Chaque circuit inférieur 2 et les thermosiphons 3 y associés formant un circuit sous vide contenant un fluide caloporteur de travail susceptible de s'évaporer sous l'effet du rayonnement et de monter dans les thermosiphons 3 pour se condenser dans la portion d'extrémité supérieure 3.2 après transfert de chaleur par convection à l'air présent dans la conduite supérieure 4. Dans une gamme d'utilisation du fluide caloporteur de 20°C à 350°C, l'eau assure les meilleurs propriétés de transfert thermique en ébullition et condensation et ce pour un faible coût de mise en oeuvre. L'utilisation d'autres fluides caloporteurs comme les huiles thermiques est également possible mais limitée par leur température de dégradation thermique, directement liée à la quantité de chaleur reçue par rayonnement. Le choix du fluide caloporteur approprié dépendra de sa température d'utilisation et donc de l'intensité du rayonnement thermique entre le système et les produit chauds. L'utilisation de l'eau permet d'abaisser le coût global de fabrication du système et est ici conseillée. Le cas de référence utilisé pour le dimensionnement du système utilise de l'eau à 25bar et à une température de 226°C. La portion des thermosiphons 3 s'étendant entre la conduite supérieure 4 et le circuit inférieur 2 est calorifugée pour que le fluide caloporteur de travail puisse subir une transformation adiabatique. Les circuits inférieurs 2 comprennent des piquages non représentés permettant le remplissage des circuits inférieurs 2 par le fluide caloporteur de travail et la mise sous vide des circuits inférieurs 2. La pression de travail dans les circuits inférieurs 2 et les thermosiphons 3 peut s'élever à 20 ou 25 bars ou plus selon le rayonnement thermique auquel les circuits inférieurs 2 sont soumis. Les moyens assurant l'étanchéité des circuits doivent pouvoir supporter une telle pression. Les circuits inférieurs 2, les thermosiphons 3 et la conduite supérieure 4 sont de préférence rectilignes pour diminuer le coût de fabrication du dispositif.Each lower circuit 2 and associated thermosyphons 3 forming a vacuum circuit containing a working heat-transfer fluid capable of evaporating under the effect of the radiation and mounting in the thermosyphons 3 to condense in the upper end portion 3.2 after heat transfer by convection to the air present in the upper duct 4. In a range of use of the coolant from 20 ° C to 350 ° C, the water provides the best heat transfer properties in boiling and condensation and this for a low cost of implementation. The use of other heat transfer fluids such as thermal oils is also possible but limited by their temperature of thermal degradation, directly related to the amount of heat received by radiation. The choice of the appropriate heat transfer fluid will depend on its temperature of use and thus on the intensity of the thermal radiation between the system and the hot products. The use of water reduces the overall cost of manufacturing the system and is here recommended. The reference case used for sizing the system uses water at 25bar and a temperature of 226 ° C. The portion of the thermosyphons 3 extending between the upper pipe 4 and the lower circuit 2 is insulated so that the working heat transfer fluid can undergo an adiabatic transformation. The lower circuits 2 comprise unrepresented taps allowing the filling of the lower circuits 2 by the working heat transfer fluid and the evacuation of the lower circuits 2. The working pressure in the lower circuits 2 and the thermosyphons 3 can rise to 20 or 25 bars or more depending on the heat radiation to which the lower circuits 2 are subjected. The means ensuring the sealing of the circuits must be able to withstand such pressure. The lower circuits 2, the thermosyphons 3 and the upper pipe 4 are preferably rectilinear to reduce the manufacturing cost of the device.
Il est prévu des soupapes de sécurité pour éviter les surpressions dans les circuits inférieurs 2, dans les thermosiphons 3. La conduite supérieure 4 est avantageusement prévue avec un conduit de décharge de telle manière qu'en cas d'arrêt du four un écoulement d'air soit maintenu dans la conduite supérieure 4. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif récupérateur de chaleur peut avoir une géométrie différente de celle représentée aux figures. Le dispositif peut par exemple être réalisé au moyen de tubes courbes.Safety valves are provided to prevent overpressure in the lower circuits 2, in the thermosyphons 3. The upper pipe 4 is advantageously provided with a discharge pipe in such a way that in case of stopping the furnace a flow of Air air is maintained in the upper pipe 4. Of course, the invention is not limited to the embodiments described but encompasses any variant within the scope of the invention as defined by the claims. In particular, the heat recovery device may have a different geometry from that shown in the figures. The device can for example be made by means of curved tubes.
Les thermosiphons peuvent être dépourvus d'ailettes. Bien que l'invention ait été plus particulièrement décrite en application au domaine sidérurgique, l'invention est utilisable dans tout milieu industriel.The thermosyphons may be devoid of fins. Although the invention has been more particularly described in application to the steel field, the invention is used in any industrial environment.
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