[0001] L'invention concerne le domaine des équipements thermiques et se rapporte plus précisément
à un système de réduction des fuites radiales susceptibles d'apparaître dans les réchauffeurs
d'air installés sur les équipements thermiques et utilisés pour réchauffer l'air de
combustion amené à un tel équipement par échange thermique avec les fumées chaudes
prélevées à la sortie de celui-ci.
[0002] L'invention trouve tout particulièrement son application dans les réchauffeurs d'air
régénératifs de type LJUNGSTROEM (dénomination commerciale).
[0003] Ces réchauffeurs d'air sont principalement composés :
. d'un rotor dans lequel sont installés une pluralité d'éléments de chauffe (préférentiellement
constitués de tôles métalliques ondulées) supportés par des plaques métalliques disposées
radialement (diaphragmes) définissant une pluralité de secteurs radiaux, lesdits éléments
de chauffe étant traversés alternativement par les courants d'air et de fumées ;
. d'un stator constitué par une enveloppe métallique étanche sur laquelle sont raccordées
les gaines d'air et de fumées,
. de moyens d'étanchéité limitant le passage de l'air dans les fumées et intégrant
une pluralité de plaques de secteur solidarisées audit stator et positionnées au-dessus
desdits éléments de chauffe, ainsi que des joints radiaux prévus sur les diaphragmes.
[0004] De part leur fonction d'échangeur de chaleur, les réchauffeurs d'air régénératifs
sont parcourus par des courants de fluide à température évolutive, puisque les fumées
se refroidissent en cédant leurs calories à l'air se réchauffant. De ce fait, les
diaphragmes supportant les éléments de chauffe adoptent une température moyenne évolutive
résultant de l'échange thermique entre les deux fluides et subissent donc des dilatations
thermiques différentielles ayant pour conséquence une mise en forme de parapluie du
rotor. Les dispositifs d'étanchéité visant à limiter le passage de l'air vers les
fumées doivent donc suivre les déformations du rotor, à défaut de quoi, l'augmentation
des jeux entre le rotor et les plaques de secteurs entraînerait un niveau de fuites
radiales inacceptable.
[0005] L'étanchéité du système est quantifiée par la valeur du jeu fonctionnel existant
entre les plaques de secteur et les joints radiaux des diaphragmes. Afin de maintenir
un jeu fonctionnel minimal entre les plaques de secteur et les joints radiaux équipant
les diaphragmes et ce, quelle que soit la déformation du rotor, les réchauffeurs d'air
de l'état de la technique sont classiquement pourvus d'un système de rattrapage de
ce jeu fonctionnel qui a pour fonction d'agir sur la position relative des plaques
de secteur par rapport au stator. Grâce à un tel système, les plaques de secteur sont
périodiquement actionnées dans le but de contrôler le jeu fonctionnel cité ci-dessus
et corollairement les fuites radiales pouvant résulter d'une augmentation de celui-ci.
[0006] Plus précisément, le système de rattrapage en question est constitué par un mécanisme
solidaire du stator, composé d'un moteur électrique associé à un réducteur et à un
mécanisme de renvoi d'angle agissant par l'intermédiaire de tiges sur la position
relative de chaque plaque de secteur par rapport au stator. L'action de ce mécanisme
sur l'extrémité externe des plaques de secteur a pour effet de faire subir à celles-ci
un déplacement angulaire. Dans ce but, les extrémités internes des plaques de secteurs
sont montées articulées sur l'axe du rotor. Pour maintenir un jeu fonctionnel sensiblement
constant entre les plaques de secteur et les joints radiaux, il est nécessaire de
suivre les déformations relatives de l'ensemble stator-rotor. Ce suivi est assuré
par un détecteur de position qui détecte pénodiquement la position relative de ces
éléments et qui permet ainsi de piloter la descente ou la remontée des plaques de
secteur par l'intermédiaire de contacts électriques afin de maintenir un jeu fonctionnel
optimal.
[0007] Ce détecteur de position (et ses contacts électriques associés) qui mesure le jeu
relatif engendré par les dilatations thermiques différentielles entre les plaques
de secteur et le rotor présente l'inconvénient de constituer un élément extrêmement
sensible du système de rattrapage de jeu de l'état de la technique.
[0008] En effet un tel détecteur fonctionne dans une ambiance particulièrement sévère caractérisée
par un température élevée, une atmosphère corrosive due notamment à la présence de
soufre, la présence de fumées chargées de cendres abrasives et la présence de particules
pouvant être collantes. Il est donc susceptible de voir son fonctionnement altéré
par un tel environnement.
[0009] Ce problème est accru par le fait que ses déplacements sont périodiques et de très
faible amplitude (quelques millimètres). La défaillance de cet organe sujet au grippage
ou au blocage, peut donc entraîner la remise en cause de l'ensemble du fonctionnement
du système de réduction des fuites radiales et peut même engendrer de grosses détériorations
du réchauffeur d'air lorsque les joints radiaux viennent racler contre une plaque
de secteur qui ne s'est pas relevée.
[0010] De plus avec un tel système, la mesure permanente du jeu relatif entre les plaques
de secteur et les joints radiaux équipant les diaphragmes ne peut s'envisager car
l'usure de l'extrémité de la tige du palpeur et/ou de sa surface de contact sur le
rotor serait dans ce cas beaucoup trop rapide.
[0011] L'objectif de la présente invention est de proposer un système actif de réduction
des fuites radiales sur réchauffeurs d'air régénératifs ne présentant pas de tels
inconvénients.
[0012] En particulier, un des objectifs de l'invention est de décrire un tel système présentant
une fiabilité améliorée.
[0013] Encore un objectif de la présente invention est de décrire un tel système qui autonse
un maintien permanent d'un jeu optimum entre les plaques de secteur et les joints
radiaux équipant les diaphragmes, tout en offrant une plus grande souplesse de réglage
que le système de l'état de la technique.
[0014] Encore un objectif de l'invention est de proposer un tel système qui permette de
simplifier les opérations de maintenance relatives à ce type de dispositif.
[0015] Enfin, encore un objectif de l'invention est de décrire un tel système qui simplifie
la fabncation du réchauffeur d'air.
[0016] Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un système
de réduction des fuites radiales susceptibles d'apparaître dans un réchauffeur utilisé
pour réchauffer l'air de combustion amenée à un équipement thermique tel qu'une chaudière
par échange thermique avec les fumées chaudes prélevées à la sortie dudit équipement
thermique du type comprenant :
. un rotor équipé d'une pluralité d'éléments de chauffe supportés par des plaques
métalliques radiales formant diaphragmes, lesdits éléments de chauffe étant traversés
alternativement par les courants d'air et de fumées ;
. un stator constitué par une enveloppe métallique étanche sur laquelle sont raccordées
les gaines d'air et de fumées,
. des moyens d'étanchéité radiale limitant le passage de l'air dans les fumées et
intégrant une pluralité de plaques de secteur montées articulées sur l'axe du rotor
et positionnées au-dessus desdits éléments de chauffe, ainsi que des joints radiaux
prévus sur les diaphragmes,
ledit système comprenant des moyens mécaniques permettant d'agir sur le jeu fonctionnel
existant entre chaque plaque de secteur et lesdits joints radiaux et étant caractérisé
en ce que lesdits moyens mécaniques sont pilotés par des moyens de régulation reliés
à des moyens de renseignement de l'allure du fonctionnement de l'équipement thermique,
lesdits moyens de régulation intégrant une loi de déformation des plaques de secteur
permettant d'imposer en permanence une position relative de chaque plaque de secteur
par rapport auxdits joints radiaux en fonction des informations transmises par lesdits
moyens de renseignement.
[0017] Le système selon l'invention se propose donc de supprimer le détecteur de position
(palpeur ou capteur) selon le système décrit ci-dessus connu de l'état de la technique
et de se baser sur la prise en compte de la dilatation thermique présumée des différents
éléments constitutifs du réchauffeur d'air pour agir sur les moyens mécaniques permettant
de réguler le jeu existant entre les plaques de secteurs et les joints radiaux. Selon
l'invention, le déplacement de chaque plaque de secteur obéit à une loi de déformation
qui maintient en permanence un jeu fonctionnel constant en fonction de l'allure de
fonctionnement de l'équipement thermique. Dans ce but, les moyens de régulation sont
en permanence renseignés sur l'allure de fonctionnement de l'équipement, représentative
des dilatations thermiques différentielles et imposent en permanence, par l'intermédiaire
de la loi de déformation leur étant intégrée, une position relative de chaque plaque
de secteur.
[0018] Dans le but de tenir compte des phénomènes d'inertie thermique du réchauffeur d'air
liés à sa masse (plusieurs centaines de tonnes) qui influent directement sur les déformations
des diaphragmes, lesdits moyens de régulation du système selon l'invention incluent
préférentiellement des moyens permettant de différer leur action sur lesdits moyens
mécaniques d'un temps t fonction de ces phénomènes.
[0019] Egalement préférentiellement, ces moyens de régulation incluent aussi un filtre permettant
d'écrêter les variations d'allure parasites transmises par lesdits moyens de renseignement
de l'allure du fonctionnement de l'équipement thermique et permettant ainsi de stabiliser
le système.
[0020] La loi de déplacement utilisée par lesdits moyens de régulation selon l'invention
sera définie pour chaque réchauffeur d'air en fonction des paramètres suivants:
- caractéristiques géométriques du rotor ;
- coefficient de dilatation thermique des métaux constituant les diaphragmes du réchauffeur
d'air ;
- différence de température des diaphragmes entre l'entrée et la sortie du réchauffeur
d'air.
[0021] Ces températures respectives étant connues et fonction de l'allure de fonctionnement
de l'équipement thermique, la déformation sera alors déterminée pour un réchauffeur
d'air donné en fonction soit des températures des fumées à l'entrée et à la sortie
du réchauffeur d'air, soit des températures de l'air à l'entrée et à la sortie du
réchauffeur d'air, soit directement en fonction de l'allure de fonctionnement, soit
d'une combinaison de ces paramètres permettant de prendre en compte un ensemble de
phénomènes secondaires.
[0022] Dans la pratique, la déformation est déterminée pour deux allures extrêmes de fonctionnement
assorties de garanties de performances à savoir une allure maximale (100% par exemple
) et une allure minimale (40% par exemple ) et entre ces deux allures ladite loi de
déplacement utilisée par les moyens de régulation s'exprime par la formule :

selon laquelle : A représente le coefficient de dilatation thermique du métal constituant
les diaphragmes, ΔT représente la variation de température dudit métal entre l'entrée
et la sortie du réchauffeur d'air, D représente le diamètre du rotor et H représente
la hauteur du rotor. Cette loi assure ainsi en permanence une régulation de positionnement
de chaque plaque secteur en fonction de l'allure de fonctionnement de l'équipement
thermique sur une plage normale de fonctionnement. En dehors de cette plage, le système
ramène la plaque de secteur à sa position de réglage « équipement thermique à l'arrêt,
rotor non déformé ».
[0023] Selon un autre aspect préférentiel de l'invention, lesdit moyens de régulation se
présentent sous la forme d'au moins un boîtier déporté par rapport au réchauffeur
d'air. Selon une telle variante préférentielle, ce boîtier n'est donc pas soumis aux
sévères conditions d'ambiance dans lesquelles se trouvent le détecteur de position
et les contacts électriques des systèmes de l'état de la technique.
[0024] Avantageusement, lesdits moyens mécaniques du système selon l'invention incluent
un servo-moteur électrique avec réducteur intégré agissant par l'intermédiaire d'une
pluralité de renvois d'angles sur des tiges reliées à chaque plaque de secteur.
[0025] Egalement avantageusement ces tiges sont guidées par des paliers chemisés d'une bague
graphite.
[0026] Le guidage des tiges de suspension permettant l'accrochage des plaques secteur à
la structure du réchauffeur d'air est assuré, dans les systèmes actuels, par des fourreaux
de guidage avec presse étoupe. Pour reprendre les écarts de dilatation différentielle
existant entre la plaque secteur et la structure, il est nécessaire de ménager un
jeu important entre le fourreau et la tige de suspension. Pour éviter le grippage
du système, il faut également assurer un graissage abondant (intervention manuelle
recommandée tous les 15 jours) avec des produits anti-grippants adaptés aux hautes
températures. Cependant, ces produits anti-grippants réagissent avec l'atmosphère
corrosive ambiante et cristallisent très rapidement. Pour le maintien en état du système,
il faudrait éliminer les cristaux formés à chaque renouvellement du graissage, ce
qui dans la pratique n'est pas réalisable. On aboutit donc après quelques mois de
fonctionnement à un grippage du mécanisme avec impossibilité de faire fonctionner
correctement le système de contrôle des fuites.
[0027] Grâce à l'utilisation selon l'invention de paliers chemisés d'une bague graphite
autorisant une lubrification sèche, il est possible de s'affranchir des opérations
de graissage. En outre, les tiges de suspension sont avantageusement revêtues d'une
couche d'alliage anti-corrosion et anti-usure (nickel et carbure de tungstène déposés
par fusion) permettant de s'affranchir des phénomènes de corrosion et de grippage
et ainsi d'améliorer notablement la fiabilité du système
[0028] L'invention ainsi que les différents avantages qu'elle décrit seront plus facilement
compris grâce à la description qui va suivre d'un mode de réalisation non limitatif
de celle-ci en référence aux dessins dans lesquels ;
- la figure 1 représente une vue en perspective éclatée d'un réchauffeur d'air régénératif
de type LSUNGSTROEM notamment pour chaudière équipé du système de réduction des fuites
selon l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe du réchauffeur d'air représenté à la figure
1 ;
- la figure 3 représente une vue détaillé d'une partie du système actif de réduction
des fuites radiales selon l'invention ;
- la figure 4 représente un graphe traduisant le déplacement d'une plaque de secteur
du réchauffeur d'air représenté au figures 1 et 2 pour le maintien d'un jeu fonctionnel
constant en fonction de la charge de la chaudière.
[0029] La figue 1 a pour objet de reproduire l'architecture générale d'un réchauffeur d'air
de type LJUNGSTROEM.
[0030] Ce type de réchauffeur d'air est essentiellement constitué d'un rotor 1 monté sur
un axe 7 et évoluant à l'intérieur d'un stator 4 se présentant sous la forme d'une
enceinte étanche.
[0031] Ce stator est pourvu de gaines 5, 5a, 5b, 5c respectivement d'arrivée de fumées chaudes
provenant de la combustion d'une chaudière, d'évacuation des fumées refroidies, d'arrivée
et d'évacuation de l'air à réchauffer.
[0032] Le rotor est quant à lui équipé d'une pluralité d'éléments de chauffe 2 se présentant
sous la forme de tôles ondulées qui sont traversées en permanence par les courants
de fumées et d'air de combustion et qui servent à transférer la chaleur d'un fluide
à l'autre. Ces éléments de chauffe sont répartis dans des compartiments délimités
par des plaques métalliques montées radialement formant diaphragmes 3 et pourvus à
leur extrémité supérieure d'un joint radial 8.
[0033] Afin d'autonser l'étanchéité radiale de ce réchauffeur des plaques 6 dites plaques
de secteur sont positionnées au-dessus des éléments de chauffe et montées articulées
sur l'axe 7 du rotor 1. Ces plaques 6 délimitent avec les joints 8 un jeu fonctionnel
dont la valeur doit être maintenue à une valeur de référence afin d'éliminer les risque
des fuites radiales. Dans ce but, le réchauffeur est équipé d'un système permettant
de déplacer lesdits plaques de secteur 6 dont les déplacements sont rendus possible
grâce aux articulations équipant les plaques 6. Ce système, objet de la présente invention
est décrit ci-après plus en détail en référence aux figures 2 et 3.
[0034] En référence à la figure 2, dont la partie gauche montre les plaques de secteur 6
en position relative à froid par rapport aux diaphragmes 3 et dont la partie droite
montre les plaques de secteur 6 en position relative à chaud par rapport aux diaphragmes
3, les diaphragmes 3 supportant les éléments de chauffe adoptent une température moyenne
évolutive résultant de l'échange thermique entre les deux fluides et subissent donc
des dilatations thermiques différentielles ayant pour conséquence une mise en forme
de parapluie du rotor. Cette variation du positionnement des diaphragmes 3 dépend
de leur température et donc de l'allure de la chaudière.
[0035] Afin de contrôler le jeu 10 entre les joints radiaux 8 équipant les diaphragmes 3
et les plaques de secteur 6, le réchauffeur est équipé selon l'invention de moyens
mécaniques 9 reliés à des moyens de régulation 11 eux-mêmes reliés à des moyens de
renseignement 12 de l'allure du fonctionnement de la chaudière. Ces moyens de régulation
intègrent une loi de déplacement des plaques de secteur 6 permettant d'imposer en
permanence une position relative de chaque plaque de secteur 6 par rapport auxdits
joints radiaux 8 en fonction des informations transmises par lesdits moyens de renseignement
12.
[0036] Les moyens de régulation 11 se présentent sous la forme d'un boîtier déporté par
rapport au réchauffeur de façon à ne pas subir les conditions particulièrement sévères
de fonctionnement de celui-ci.
[0037] Les moyens de renseignements 12 de l'allure de la chaudière sont quant à eux conçus
soit pour mesurer directement l'allure de la chaudière, soit les températures d'entrée
et de sortie des fumées, soit les températures d'entrée et de sortie de l'air, soit
une combinaison de ces paramètres. Tous ces paramètres sont en effet représentatifs
des variations de températures des diaphragmes 3 et en conséquence de la déformation
de ces éléments susceptibles de modifier le jeu 10 entre ces diaphragmes, et donc
les joints équipant ces diaphragmes, et les plaques de secteur 6.
[0038] Plus précisément, les moyens mécaniques 9 incluent, en référence à la figure 3 un
servo-moteur électrique 13 avec réducteur intégré 14 agissant par l'intermédiaire
d'une pluralité de renvois d'angles sur des tiges 16 reliées à chaque plaque de secteur
6.
[0039] Afin de faciliter la maintenance de ces moyens mécaniques 9, lesdites tiges 16 sont
guidées par des paliers 17 chemisés d'une bague graphite 18.
[0040] En mettant en oeuvre les moyens selon l'invention, il est ainsi possible de déplacer
automatiquement les plaques de secteur 6 en fonction de l'allure de la chaudière et
donc de s'affranchir de l'utilisation de tout palpeur ou capteur de déplacement préconisé
par l'art antérieur. Le graphe de la figure 4 donne un exemple des déplacements de
plaques de secteur 6 occasionnés par l'augmentation des plaques de la chaudière.
[0041] On notera que pour éviter certaines instabilités au niveau du système selon l'invention,
la mise en service ou hors service de ce système ne s'effectuera pas brutalement dès
l'allure minimale atteinte mais une période de transition correspondant à 10% d'allure
sera imposée (cette plage est de 30 à 40 % dans l'exemple proposé).
[0042] On notera également que dans le but de tenir compte des phénomènes d'inertie thermique
du réchauffeur d'air liés à sa masse qui influent directement sur les déformations
des diaphragmes, les moyens de régulation 11 du système incluent un retardateur (non
représenté) permettant de différer leur action sur lesdits moyens mécaniques 9 d'un
temps t fonction de ces phénomènes.
[0043] Le système décrit présente de nombreux avantages par rapport au système connu de
l'état de la technique.
[0044] La suppression du système de détection de proximité et de ses contacts électriques
associés améliore la fiabilité du système de réduction des fuites radiales.
[0045] L'adoption du système proposé permet de plus un maintien permanent d'un jeu optimum
tout en offrant une plus grande souplesse de réglage et autorise la prise en compte
de la dégradation des joints radiaux par modification de la loi de déplacement de
chaque plaque de secteur, ce qui n'est pas possible avec le système de l'art antérieur.
[0046] Le système selon l'invention permet également de grandement simplifier les opérations
de maintenance en autorisant une lubrification sèche des paliers de guidage des tiges.
[0047] Enfin la suppression de tout système de détection de proximité permet de simplifier
la fabncation du réchauffeur d'air en annulant sur le rotor les opérations d'usinage
de la surface circonférencielle destinée au contact avec le palpeur.
[0048] Le mode de réalisation de l'invention ici décrit n'a pas pour objet de réduire la
portée de l'invention. Il pourra donc y être apporté de nombreuses modifications sans
sortir du cadre de celle-ci.
1. Système de réduction des fuites radiales susceptibles d'apparaître dans un réchauffeur
utilisé pour réchauffer l'air amené à un équipement thermique par échange thermique
avec les fumées chaudes prélevées à la sortie dudit équipement thermique du type comprenant
:
. un rotor (1) équipé d'une pluralité d'éléments de chauffe (2) supportés par des
plaques métalliques radiales formant diaphragmes (3), lesdits éléments de chauffe
(2) étant traversés alternativement par les courants d'air et de fumées ;
. d'un stator (4) constitué par une enveloppe métallique étanche sur laquelle sont
raccordées les gaines (5) d'air et de fumées,
. de moyens d'étanchéité radiale limitant le passage de l'air dans les fumées et intégrant
une pluralité de plaques de secteur (6) montées articulées sur l'axe (7) du rotor
et positionnées au-dessus desdits éléments de chauffe (2) ainsi que des joints radiaux
(8) prévus sur les diaphragmes (3),
ledit système comprenant des moyens mécaniques (9) permettant d'agir sur le jeu
fonctionnel (10) existant entre chaque plaque de secteur (6) et lesdits joints radiaux
(8) et étant caractérisé en ce que lesdits moyens mécaniques (9) sont pilotés par
des moyens de régulation (11) reliés à des moyens de renseignement de l'allure du
fonctionnement de l'équipement thermique, lesdits moyens de régulation (11) intégrant
une loi de déformation des plaques de secteur (6) permettant d'imposer en permanence
une position relative de chaque plaque de secteur (6) par rapport auxdits joints radiaux
(8) en fonction des informations transmises par lesdits moyens de renseignement (12).
2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation
(11) incluent des moyens permettant de différer leur action sur lesdits moyens mécaniques
d'un temps t fonction de l'inertie thermique du réchauffeur.
3. Système selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation
(11) incluent un filtre permettant d'écrêter les variations d'allure parasites transmises
par lesdits moyens de renseignement de l'allure du fonctionnement de l'équipement
thermique.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite loi de déplacement
des plaques est définie pour chaque réchauffeur d'air en fonction des paramètres suivants
: caractéristiques géométriques du rotor (1), coefficient de dilatation thermique
des métaux constituant les diaphragmes (3), différence entre les températures des
diaphragmes (3) entre l'entrée et la sortie d'air.
5. Système selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens de renseignements
de l'allure de l'équipement thermique sont conçus pour mesurer les températures des
fumées à l'entrée et à la sortie du réchauffeur d'air.
6. Système selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que lesdits moyens de renseignements
de l'allure de l'equipement thermique sont conçus pour mesurer les températures de
l'air à l'entrée et à la sortie du réchauffeur d'air.
7. Système selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que lesdits moyens
de renseignements de l'allure de l'équipement thermique sont conçus pour mesurer directement
l'allure de l'équipement thermique.
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ladite
loi de déplacement s'exprime, entre deux allures extrêmes de fonctionnement, par la
formule :

selon laquelle : A représente le coefficient de dilatation thermique du métal constituant
les diaphragmes, ΔT représente la variation de température dudit métal entre l'entrée
et la sortie du réchauffeur d'air, D représente le diamètre du rotor et H représente
la hauteur du rotor.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que lesdit
moyens de régulation (11) se présentent sous la forme d'au moins un boîtier déporté
par rapport au réchauffeur d'air.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que lesdits
moyens mécaniques incluent un servo-moteur électnque (13) avec réducteur intégré (14)
agissant par l'intermédiaire d'une pluralité de renvois d'angles (15) sur des tiges
(16) reliées à chaque plaque de secteur (6).
11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que lesdites
tiges (16) sont guidées par des paliers (17) chemisés d'une bague graphite (18).
12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que lesdites
tiges (16) sont revêtues d'une couche d'alliage anti-corrosion et anti-usure.