Domaine de l'invention

La présente invention concerne le domaine de l'échange d'énergie thermique entre un fluide chaud et un fluide froid, particulièrement dans l'industrie des procédés énergétiques.

Etat de la technique

Afin de procéder à un échange d'énergie thermique entre un fluide chaud, qu'il s'agisse de gaz ou de liquide, et un fluide dit froid qui va se réchauffer au contact thermique du fluide chaud, il est fréquent d'utiliser des échangeurs thermiques.

La plupart des échangeurs, qu'il s'agisse d'échangeurs à plaques, d'échangeurs à serpentins ou d'échangeurs tubulaires sont dits statiques et sont sujet à des encrassements, à des phénomènes de corrosion ou encore d'abrasion, si l'un des fluides caloporteurs comprend des éléments indésirables corrosifs ou abrasifs.

Tel est le cas, par exemple, dans les installations de combustion ou d'incinération, où le fluide chaud est de la fumée non encore filtrée, ou bien encore dans les installations de gazéification, où le fluide chaud est du syngaz brut non filtré dont on souhaite récupérer l'énergie. Souvent les conditions de fonctionnement sont très exigeantes, notamment en termes de température élevée (plus de 600°C) ou d'encrassement par des poussières dont la capacité à adhérer aux parois des équipements est renforcée par la haute température. Afin de pallier les problèmes de corrosion dans les incinérateurs pour la cogénération ou la production de vapeur surchauffée, du fait d'une présence souvent importante de fumées acides, „

- 2 - la température de surchauffe de la vapeur produite est généralement limitée à moins de 420°C afin de maintenir une température inférieure à 500°C sur les parois des tubes de surchauffe, ce qui dégrade fortement les rendements électriques par rapport à une installation qui produirait de la vapeur dans des conditions améliorées que l'on situe aux environs de 520°C.

Les installations statiques sont des installations qu'il est difficile de nettoyer après encrassement et qu'il est coûteux de remplacer lorsque les surfaces d'échange sont corrodées par les attaques à haute température du chlore.

De plus, dans de nombreux cas, le fluide chaud est un gaz ayant une très faible conductivité thermique, en général inférieure à 0.05 W/mK. La conséquence est un pincement élevé entre le fluide apporteur et le fluide récepteur de calorie, c'est-à-dire qu'il demeure un écart de température élevé entre les deux fluides, même dans le cadre d'un échange à contre-courant, et ce malgré des surfaces d'échange importantes. Dans une chaudière biomasse à vapeur, ce pincement dépasse souvent 100°C.

Description de l'invention

La présente invention concerne le domaine de l'échange d'énergie thermique entre un fluide chaud et un fluide froid, particulièrement dans l'industrie des procédés énergétiques.

Par exemple, lors de la production d'énergie par combustion, il est nécessaire de refroidir les fumées en transférant la chaleur contenue dans les fumées vers un fluide froid à l'aide d'un échangeur de chaleur.

Réciproquement la même invention peut servir à transférer du froid entre fluides. L'invention concerne aussi l'échange de chaleur latente lorsqu'au moins un fluide subit un changement d'état qui libère ou absorbe de la chaleur latente, en sus de la chaleur sensible. C'est pourquoi l'invention concerne l'échange d'enthalpie totale (chaleur sensible plus chaleur latente) entre fluides.

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'échange entre au moins un fluide A et au moins un fluide B, comprenant une enceinte, comprenant une sortie de fluide A, une entrée de fluide A, une sortie de fluide B, une entrée de fluide B, remarquable en ce que la position des entrées et sorties de fluide A et B définissent deux zones distinctes dans l'enceinte, une première zone d'action de fluide A entre l'entrée et la sortie de fluide A et une seconde zone d'action de fluide B entre l'entrée et la sortie de fluide B et en ce que des particules solides indépendantes formant un média de transfert mobile sont placées en tas dans l'enceinte, dans la zone d'action de fluide A et dans la zone d'action de fluide B et en ce qu'une entrée de média est placée à une extrémité de l'enceinte et en ce qu'une sortie de média est placée à l'autre extrémité de l'enceinte et en ce qu'un moyen de transfert du média est intercalé entre la sortie de média et l'entrée de média assurant la circulation en boucle du média.

Dans le cadre de la présente invention, le terme « enceinte » entend désigner une structure, dans laquelle ledit média de transfert est présent sous une forme entassée.

Avantageusement, la section horizontale de ladite enceinte est constante entre l'entrée de média de transfert et la sortie de média de transfert. Ainsi, le déplacement du média de transfert se fait de façon homogène quelle que soit la position des particules solides le constituant.

Dans le cadre de la présente invention, le terme « en tas » entend signifier que dans l'ensemble de l'enceinte, le média de transfert forme un empilement granulaire homogène et qu'à l'intérieur de l'enceinte il n'y a pas de volume vide sa séparant différentes zones distinctes de média de transfert et que le poids du média de transfert présent dans la zone d'action de fluide la plus haute s'applique en tout ou partie sur le média de transfert présent dans la zone d'action de fluide la plus basse. Par souci de clarté, il est précisé que la présente invention ne concerne donc pas des dispositifs ou des procédés dans lequel le média de transfert est sous la forme d'un lit fluidisé. Dans le cadre de la présente invention, le terme « échange » entend désigner un échange de matières et avantageusement un échange de poussières ou de tout autre élément indésirable présent dans le fluide A. Le terme « échange » entend également désigner un échange d'énergie et avantageusement un échange d'enthalpie.

Dans le cadre de la présente invention, le terme « zone » ou « zone d'action » entend désigner une partie du volume intérieur de l'enceinte dans laquelle va circuler un seul fluide et qui va constituer une zone de contact direct ou indirect entre ledit fluide et le média de transfert. Ces zones peuvent être délimitées structurellement , dans le cas où un fluide va circuler entre son entrée et sa sortie, à l'intérieur de l'enceinte, dans un échangeur de chaleur. Alternativement, une zone va être définie par la position de l'entrée et de la sortie du fluide. Par exemple, une entrée et une sortie de fluide placées de part et d'autre de l'enceinte vont définir une zone qui correspond à la partie de l'enceinte disposée entre ladite entrée et ladite sortie. Afin d'éviter que deux zones d'actions ne se superposent, l'homme du métier est à même de déterminer la position idéale de chaque entrée et de chaque sortie, notamment en fonction de la nature physico/chimique du fluide et de sa vitesse de circulation.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite enceinte est étanche. Ceci entend notamment signifier qu'elle ne comprend aucune ouverture vers l'extérieur autre que celles mentionnées spécifiquement.

Dans le cadre de la présente invention, le moyen de transfert du média peut être intercalé à l'intérieur de l'enceinte entre la sortie de média et l'entrée de média. Dans ce cas, la sortie de média est également reliée à l'entrée de média via l'extérieur de l'enceinte afin de permettre une circulation en boucle dudit média. Alternativement ou de façon complémentaire, le moyen de transfert du média est intercalé entre la sortie de média et l'entrée de média à l'extérieur de l'enceinte.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'axe passant entre ladite entrée et ladite sortie de média de transfert présente une inclinaison d'au moins 45° par rapport à l'horizontale.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le média de transfert présente un taux de vide d'au moins 20%.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules solides indépendantes sont des sphères de diamètre compris entre 3mm et 100mm

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules solides indépendantes sont des corps pleins percés d'au moins deux trous traversants. _r

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Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de transfert des particules du média est placé à l'extérieur de l'enceinte et comporte une vis d'Archimède.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de transfert des particules du média est placé à l'extérieur de l'enceinte et comporte des godets de transport entraînés par un mécanisme d'élévation.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de transfert des particules du média est placé à l'extérieur de l'enceinte et comporte un plateau entraîné par un vérin.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de transfert des particules du média est placé à l'extérieur ou à l'intérieur de l'enceinte et comporte un moyen d'élévation interne à traînée asymétrique ascendante .

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un moyen de régulation du débit d'au moins un des fluides est associé à l'entrée et/ou à la sortie dudit fluide.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend en outre un moyen de régulation du débit de transfert des particules du média.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un moyen de nettoyage des particules du média de transfert.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un moyen de nettoyage des condensats. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un moyen de criblage des particules du média assurant entre autre l'élimination des éléments brisés ou agglomérés. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un moyen de récupération des condensats.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif est un dispositif d'échange d'enthalpie et comprend au moins un échangeur de chaleur étanche placé à l'intérieur de ladite enceinte au contact dudit média de transfert, et raccordé à ladite entrée et à ladite sortie d'un desdits fluides.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules solides indépendantes constituant le média de transfert sont constituées d'un matériau de conductivité thermique supérieure à 0.2 W/mK.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules solides indépendantes sont constituées de deux matériaux différents et l'un des matériaux constitue l'enveloppe extérieure de la particule et l'autre matériau constitue le cœur de la particule et présente une température de fusion inférieure à celle du matériau constituant l'enveloppe extérieure.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre une pompe à chaleur connectée à la sortie de fluide B.

La présente invention concerne également un procédé d'échange remarquable en ce qu'il comprend une étape consistant à faire circuler un média de transfert, composé de particules solides indépendantes en tas dans une même enceinte, entre une première zone d'action A dans laquelle circule un fluide A et une zone d'action B dans laquelle circule un fluide B, caractérisée en ce que ledit média de transfert est envoyé dans la zone d'action A après avoir circulé dans la zone d'action B.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention ledit procédé comprend une étape de recueil des condensats formé au contact d'un des fluides et dudit média de transfert .

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide A est plus chaud que le fluide B.

Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide A est moins chaud que le fluide B.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide A est un gaz chaud qui circule à travers le média de transfert, le fluide B est de l'eau liquide et/ou de la vapeur d'eau qui circule dans un échangeur de chaleur et le média de transfert circule entre la zone A et la zone B, de sorte que l'enthalpie du fluide A est transmise au fluide B.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les débits des fluides A et B sont régulés de sorte que le débit d'un des fluides, considéré propre, est supérieur de plus de 1% au débit de l'autre fluide, considéré sale, assurant une fuite du fluide propre vers le fluide sale et empêchant l'inverse.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide A est un gaz et le fluide B est refroidi par une pompe à chaleur, après son passage sur ledit média de transfert, et est ensuite utilisé pour condenser la vapeur condensable contenue dans le gaz A.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le média de transfert collecte les éléments indésirables du fluide A dans la zone A et ledit média de transfert est lavé par le fluide B dans la zone B.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit média de transfert circule également dans une zone C, au milieu d'un fluide C comprenant un agent collecteur apte à améliorer la capacité de collecte dudit média de transfert .

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide le plus chaud a une température d'entrée dans l'enceinte supérieure à 150°C, encore plus préfèrent iellement à 400°C et tout à fait préfèrent iellement supérieure à 600°C.

Selon un mode de réalisation préféré de l'inention, le procédé selon l'invention met en œuvre un dispositif selon l'invention.

Avantages de l'invention

Un des avantages de l'invention est que la forte inertie thermique du média caloporteur mobile, associée à sa conductivité et à sa diffusivité thermique élevées, permettent de réduire le pincement thermique entre les fluides respectivement apporteur et récepteur d'enthalpie.

Un autre avantage est que la capacité thermique du média caloporteur mobile peut être définie de manière à ce que le transfert d'enthalpie se fasse aux températures requises pour le fluide récepteur d'enthalpie, et que cela rende notamment possible la récupération de tout ou partie de la chaleur latente du fluide apporteur d'enthalpie qui serait autrement perdue.

Un autre avantage est que la grande inertie thermique du média caloporteur mobile amortit les variations d'enthalpie du fluide caloporteur apporteur d'enthalpie, permettant de ce fait un transfert plus stable d ' enthalpie .

Un autre avantage est que la vitesse de déplacement du média caloporteur peut être ajustée en temps réel en fonction de la puissance d'échange d'enthalpie requise, permettant ainsi d'ajuster, par exemple, les paramètres des procédés périphériques mettant en œuvre les fluides caloporteurs impliqués dans l'échange d'enthalpie grâce à l'invention, par exemple des procédés de combustion ou de gazéification .

Un autre avantage est que l'échange d'enthalpie s'effectue dans une même enceinte, évitant ainsi l'usage d'un four de chauffage auxiliaire qui devrait assurer la montée en température de boulets ou tout autre masse en mouvement et évitant aussi les contraintes liées aux transferts à très haute température.

Un autre avantage est que le déplacement en tas dudit média de transfert assure un transfert homogène des particules dans l'enceinte et par conséquent un transfert optimal de l'enthalpie d'une zone d'action à l'autre.

Ainsi, l'écoulement du fluide et/ou du média de transfert est un écoulement piston. Par «écoulement piston», on définit un écoulement unidirectionnel dans lequel dans un plan perpendiculaire à l'écoulement, tous les filets se déplacent avec une vitesse uniforme et toutes les grandeurs physiques y sont identiques. Dans un tel écoulement, la récupération de l'enthalpie est optimal .

Un autre avantage est qu'il est possible de choisir un média caloporteur mobile insensible aux attaques acides, par exemple des billes en alumine (AL203), qui permet un faible pincement thermique et améliore la performance de l'échange thermique entre les fluides en jeu .

Un autre avantage est que selon le type de média caloporteur choisi, il est possible de travailler avec des fluides très chauds (supérieur à 150°C, 400°C, voir 600°C) .

Un autre avantage est que le média caloporteur mobile peut être mis en mouvement lentement, ce qui est bien moins énergivore qu'un mouvement de fluidisation à sable dans un foyer de combustion ou de gazéification.

Un autre avantage est que l'invention permet de procéder à une condensation de vapeurs contenues dans le fluide chaud gazeux, sans nécessiter l'emploi d'un condenseur de fumées séparé, à la différence des installations traditionnelles de condenseurs de fumées.

Un autre avantage est que le média mobile n'a pas à être nettoyé in situ, à la différence des installations traditionnelles de condensation par garnissage fixe qui, par nature, ne peut être aisément évacué du réacteur pour nettoyage .

Un autre avantage est que les fluides caloporteurs chargés de poussières sont en partie débarrassés de leurs poussières par collecte de celles-ci à la surface des éléments du média caloporteur mobile, facilitant ainsi les étapes ultérieures de traitement.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention sont décrits ci-après selon les modes possibles de réalisation de l'invention.

Les descriptions font référence aux figures suivantes en annexe :

la figure 1 représente schémat iquement le dispositif de l'invention selon une version à deux zones de circulation de fluide à travers le média mobile.

- la figure 2 représente une variante de l'invention dans laquelle une des zones d'échange comprend un échangeur de chaleur étanche et des ailettes thermiques.

- la figure 3 représente une variante de l'invention dans laquelle un moyen de transfert des particules du média est représenté en mouvement descendant.

- la figure 4 représente une variante de l'invention dans laquelle un moyen de transfert des particules du média est représenté en mouvement ascendant.

- la figure 5 représente une variante de l'invention dans laquelle un moyen de condensation des vapeurs contenues dans un gaz refroidi est représenté.

- la figure 6 représente une variante de l'invention dans laquelle un autre moyen de condensation des vapeurs contenues dans un gaz refroidi est représenté.

Exposé d'un mode de réalisation

La présente invention concerne un dispositif d'échange d'enthalpie entre deux fluides, principalement dans un procédé de production énergétique. Elle est notamment utile dans le cas de la cogénération avec production de vapeur par combustion de matière première afin de produire de l'électricité à l'aide d'une turbine à vapeur, et de la chaleur évacuée dans un réseau de chaleur. Elle est aussi utile dans le cas de la production de gaz synthétique dit Syngaz par un procédé de pyrolyse, thermolyse et/ou gazéification de matière première organique. Evidemment tout autre procédé impliquant un échange d'enthalpie peut utilement utiliser l'invention.

Les fluides peuvent être sous forme gazeuse ou liquide ou mixte si les conditions de température et de pression permettent un état biphasique.

La notion d'enthalpie englobe la chaleur sensible des fluides et la chaleur latente qui peut être aussi échangée en cas de changement de phase durant l'échange de chaleur. L' enthalpie en jeu lors d'un changement de phase (dite chaleur latente) est souvent très grande et peut représenter 2 à 10 fois plus d'énergie que l 'enthalpie en jeu lors de la montée en température avant ou après le changement de phase (dite chaleur sensible) .

C'est, par exemple, le cas si un fluide liquide devient gazeux durant l'opération, ou si un fluide gazeux se condense durant l'opération. Ainsi, des fumées issues de la combustion de matière première dans une chaudière contiennent de la vapeur d'eau qui peut avantageusement être condensée en fin de traitement des fumées, avant leur sortie dans l'atmosphère. La chaleur latente ainsi récupérée, au moins partiellement, peut être réutilisée dans un réseau de chaleur. Dans le cadre de l'invention, il s'agit donc de faire monter en température un fluide froid à partir d'un fluide chaud ou réciproquement, mais aussi éventuellement d'échanger toute ou partie de la chaleur latente des fluides. Dans le reste de la description, cet échange sera dénommé échange d' enthalpie, concernant un échange de chaleur sensible seule, ou de chaleur latente seule, ou des deux.

Selon l'invention, une masse solide intermédiaire est mise en jeu afin d'assurer un échange d'enthalpie entre deux fluides. Pour simplifier la description de l'invention, les fluides qui entrent en jeu dans le dispositif seront appelés fluide A et fluide B.

La masse solide est constituée d'un ensemble de particules individuelles solides qui sont utilisées sans cohésion entre elles. On obtient ainsi un amas de particules dont la taille et la forme permettent un écoulement naturel par l'effet de la gravité.

La masse est intermédiaire car elle joue un rôle de média qui va constamment se réchauffer et se refroidir sous l'influence des fluides en jeu.

Par commodité, la description ci-après s'attache à l'objectif d'échanger de la chaleur depuis un fluide A de plus haute température vers un fluide B de plus basse température. Toutefois, le raisonnement peut être renversé en considérant que le fluide A a une température ,

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L'invention concerne indifféremment les deux o ectifs .

Dans le principe de fonctionnement de l'invention, la masse solide sert de média au transfert d'enthalpie. Le média va capter l'enthalpie du fluide A, la stocker éventuellement puis la transmettre au fluide B, tout en empêchant ou en limitant le mélange entre les fluides, car l'objectif de l'invention est bien d'échanger la chaleur sans échanger les fluides.

Le stockage de chaleur ou inertie thermique est une des caractéristiques de l'invention. En effet, le média de transfert dispose d'une masse qui permet d'accumuler de l'enthalpie sous l'effet de sa montée en température et selon sa capacité thermique massique exprimée dans l'unité J/ (kg.K) . Ainsi, il est nécessaire de disposer d'un média de grande masse et/ou de grande capacité thermique massique qui présente une grande inertie thermique. Concrètement, pour garantir une bonne stabilité des échanges thermiques, il est préférable que l'enthalpie totale contenue dans le média représente au moins 2 fois l'enthalpie que le fluide A va apporter au fluide B.

Selon une variante de l'invention, le média de transfert peut contenir une matière qui change de phase durant son utilisation de façon à profiter aussi de la chaleur latente de changement de phase de cette matière, ce qui permet de disposer aussi d'une plus grande inertie thermique .

Par exemple, une bille d'acier au molybdène réfractaire creuse dont la température de fusion dépasse 2600°C, remplie d'un alliage d'aluminium dont la température de fusion est de 600°C, peut stocker, lors du changement de phase solide-liquide de l'aluminium à cette température fixe de 600°C, plus de 370kJ/kg d'aluminium soit l'équivalent de la chaleur sensible d'un kg d'aluminium s'échauffant de 400°C.

L'inertie thermique du média est recherchée car elle assure un stockage de l'enthalpie qui stabilise les échanges thermiques entre les fluides. En effet, la capacité thermique massique d'un fluide et notamment d'un gaz est, sauf exception, plus faible que celle d'un solide. Ainsi, en cas de légère variation de la température du fluide A, en absence d'inertie par le média, la température du fluide B varierait aussi. Grâce à l'inertie du média, le fluide B suit une évolution de température beaucoup plus régulière lors de sa progression dans le dispositif selon l'invention.

De plus, selon une variante de l'invention, le stockage d'enthalpie permet un mode de fonctionnement discontinu : dans un premier temps, le fluide A apporte son enthalpie au média de transfert sans que le fluide B ne circule, puis dans un deuxième temps, le fluide B circule dans le dispositif et collecte l'enthalpie stockée .

De façon préférée, l'inertie thermique permet de fonctionner de façon continue, avec une puissance d'échange thermique du fluide A vers le média de transfert différente de celle entre le média de transfert et le fluide B. Ainsi, il est possible de prélever beaucoup d'enthalpie depuis le fluide A et d'en restituer peu, le solde étant stocké dans le média ; ou inversement d'en prélever peu et d'en restituer plus vers le fluide B, le solde étant déstocké du média de transfert. Evidemment, il est nécessaire que le bilan s'équilibre à terme.

Selon une variante de l'invention, il est possible de gérer un déséquilibre entre l' enthalpie apportée par le fluide A et celle reçue par le fluide B en utilisant un moyen auxiliaire de chauffage ou refroidissement du média.

Un autre avantage de l'invention est que le média de transfert peut assurer un échange thermique de grande puissance, à la fois pour le transfert depuis le fluide A et pour le transfert vers le fluide B. Ce résultat est obtenu par l'utilisation d'un média présentant de nombreuses cavités facilement traversées par le fluide. Par exemple, un média constitué de billes perforées sur 25% de leur volume garantit une porosité (ratio du volume de vide sur le volume total solide + vide) de plus de 50% et donc une bonne circulation du fluide dans toute la zone d'échange d'enthalpie. Cela est important si le fluide qui traverse le média transporte des particules « encrassantes » qui peuvent se déposer dans le média et causer un bouchage progressif des cavités dans lesquelles circule le fluide.

Selon une variante de l'invention, il est possible d'utiliser de simples sphères, dont l'entassement dans un volume donné permet de conserver des porosités entre les sphères, laissant un passage libre pour un fluide traversant .

De plus, la puissance d'échange est améliorée si le média présente une bonne diffusivité, c'est-à-dire si le matériau présente une forte capacité à transférer de la chaleur. Le coefficient de diffusivité défini par D = lambda / ro / C (où lambda = conductivité thermique, ro = masse volumique et C = capacité thermique massique) est préfèrent iellement supérieur à 0.2 10 ^~6 m ² /s.

De plus, la géométrie des éléments de média est préfèrent iellement définie afin de s'assurer de la présence d'une grande surface développée balayée par le fluide apporteur ou capteur d'enthalpie, ladite surface étant le siège de l'échange de chaleur. Ainsi, il est avantageux que les éléments de média présentent une surface développée importante et une épaisseur de matière faible afin de faciliter les échanges d'enthalpie. Le paramètre de compacité préféré, défini comme le ratio de la surface développée sur le volume solide, est supérieur à 3 m ² /m ³ ce qui correspond, par exemple, à des particules en forme de bille de diamètre 30 mm et percée de 2 trous orthogonaux de diamètre 10 mm.

Enfin, la puissance d'échange est améliorée si les écoulements de fluide à travers le média de transfert se font selon un régime hydraulique ou aéraulique à grande vitesse ou turbulent qui accentue la performance des échanges thermiques par convection en surface du média de transfert. Par exemple, selon une solution préférée, le dimensionnement du dispositif veillera à garantir une vitesse d'écoulement de fluide à une vitesse supérieure à 1 m/ s pour du liquide et supérieure à 3 m/ s pour du gaz.

Toujours selon l'invention, le média de transfert doit supporter les contraintes de fonctionnement apportées par les fluides utilisés.

Par exemple, si le fluide A a une température supérieure à 1200°C, il faut que le média de transfert supporte une telle température, et il ne pourra pas être composé d'aluminium qui fond à 660°C. Une solution recommandée consiste à utiliser des sphères moulées composées de céramique d'alumine. La résistance à la température atteint ainsi des limites supérieures à 1100°C voire 1800°C en fonction de la pureté de l'alumine.

Par un autre exemple, l'utilisation d'un métal réfractaire du type alliage au molybdène permet de disposer d'une matière dont le point de fusion est supérieur à 2200°C et dont la résistance mécanique est supérieure à celle d'une céramique d'alumine.

De plus, si le fluide A est une fumée contenant du soufre ou du chlore et de l'humidité, en cas de condensation de vapeur d'eau durant l'échange de chaleur et le refroidissement de ces fumées, de l'acide sulfurique ou chlorhydrique peut se former et corroder rapidement le média de transfert. Dans ce cas, le matériau le constituant doit être choisi de façon à résister à un pH généralement inférieur à 3.

Par ailleurs, les fluides peuvent contenir des éléments en suspension susceptibles de se déposer sur le média de transfert et mener ainsi à son encrassement. Par exemple, les gaz de fumées de combustion en chaudière contiennent des poussières qui risquent de se déposer sur toute surface solide disponible, donc sur le média de transfert avec la conséquence potentielle de réduire progressivement la porosité de ce dernier. La circulation des fluides et l'efficacité des échanges thermiques en seraient alors dégradées. Pour résoudre ce problème, le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un moyen de lavage du média de transfert, régulier ou continu. Ceci fait l'objet d'une description infra.

Enfin, selon l'invention, le média de transfert est mis en mouvement de circulation à l'intérieur de l'enceinte de l'échangeur ce qui suppose que le média de transfert est bien composé de particules individuelles qui peuvent être déplacées sans collage entre elles et sans blocage mécanique qui créerait un seul bloc impossible à déplacer. Il est aussi avantageux que les éléments constituant le média de transfert aient une résistance mécanique suffisante pour supporter le poids de l'empilage effectué, surtout en partie basse. Il est aussi préférable que la mise en mouvement éventuelle de ces éléments ne les brise ni ne les abrase trop vite, afin de ne pas devoir les remplacer trop souvent, suite à une usure inévitable.

Ainsi, le média de transfert échangeur de chaleur est composé de particules individuelles qui peuvent être des billes ou des éléments individuels de type anneau de Raschig, selle de Perl, ... qui sont placés en tas dans l'enceinte de l' échangeur.

De façon avantageuse, les éléments sont de forme globalement sphérique. La forme sphérique facilite la circulation des éléments dans l'enceinte sans qu'un effet de blocage de particules entre elles ne puisse advenir.

D'autres formes sont aussi envisageables, du moment qu'elles respectent le cahier des charges décrit supra.

Par exemple, les éléments peuvent être munis d'une ou plusieurs perforations. Ces perforations ont pour objet de faciliter la circulation des fluides à travers le lit de particules, grâce à la forte porosité ainsi obtenue.

Ainsi, l'empilage du média de transfert est préfèrent iellement mécaniquement résistant, poreux pour la circulation du fluide, massif pour améliorer l'inertie thermique, disposant d'une grande surface développée pour garantir un échange thermique de grande puissance et d'une conductivité thermique permettant d'accélérer les transferts thermiques.

Selon l'invention, l'architecture générale du dispositif 1 représenté en figure 1 comporte une enceinte 2 dans laquelle le média de transfert 5 est déversé, une entrée 31 de fluide A, une sortie 32 de fluide A, une entrée 41 de fluide B et une sortie 42 de fluide B. La partie de l'enceinte comprise entre l'entrée 31 et la sortie 32 définit une première zone 21, et la partie de l'enceinte comprise entre l'entrée 41 et la sortie 42 définit une deuxième zone 22

Le média de transfert 5 est déversé à partir d'une entrée de média 51 et est évacué de l'enceinte 2 par une sortie de média 52. Le média de transfert 5 circule entre l'entrée et la sortie. Si l'enceinte 2 est globalement verticale, la circulation peut se faire de haut en bas ou de bas en haut. Si la circulation est effectuée de haut en bas dans l'enceinte 2, il est nécessaire de disposer d'un moyen extérieur 8 de transfert du média depuis le bas vers le haut, afin de réinjecter le média dans l'enceinte 2 par le haut. Si la circulation est inverse, le moyen extérieur de transfert 8 de haut en bas peut être un simple conduit dans lequel le média tombe par gravité. Mais la circulation du média de transfert de bas en haut dans l'enceinte 2 doit être assistée par un moyen de transfert interne 9 décrit plus loin.

Selon une variante de l'invention le moyen extérieur de transfert 8 peut être intégré dans l'enceinte 2 du dispositif selon l'invention, dans une zone réservée qui n'a pas pour fonction principale d'assurer les échanges d'enthalpie entre les fluides.

L'enceinte 2 est préfèrent iellement d'une forme étirée, c'est-à-dire que parmi ses trois dimensions caractéristiques (hauteur, longueur, largeur), une des dimensions est grande par rapport aux autres, afin de favoriser la mise en place d'un cheminement des fluides depuis leur entrée jusqu'à leur sortie, de sorte que toutes les portions de fluide qui arrivent dans l'enceinte 2 y séjournent pour une durée équivalente et circulent dans le média selon le même cheminement. Une forme d'enceinte plus compacte (les trois dimensions ayant à peu près la même valeur) serait moins performante, car certaines portions du fluide pourraient séjourner moins longtemps en suivant des court-circuits dans le média, au détriment du rendement et de l'homogénéité des transferts.

L'enceinte 2 peut être constituée d'un ensemble de canaux distincts placés côte à côte, chaque canal étant équipé d'une entrée et d'une sortie de fluide spécifiques, de sorte que chaque canal puisse être vu comme une enceinte spécifique utilisée de la même façon que l'enceinte globale décrite ici.

De façon avantageuse, l'enceinte 2 est calorifugée de façon à minimiser les fuites thermiques qui pourraient affecter la performance de l'échange de chaleur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, dans la première zone d'action 21 du fluide A, le fluide A est introduit dans l'enceinte 2 par l'entrée 31, circule dans le média de transfert, lui apporte de l'énergie calorique (ou lui retire de l'énergie calorique dans la version symétrique de refroidissement comme indiqué au début de la description de l'invention) et est évacué par la sortie 32. Durant son trajet, le fluide A refroidit et peut même atteindre sa température de condensation ce qui permet de transmettre au média tout ou partie de la chaleur latente du fluide A.

De son coté, dans sa seconde zone d'action 22, le fluide B est introduit dans l'enceinte 2 depuis l'entrée 41 jusqu'à la sortie 42. Il circule dans le média et capte la chaleur du média traversé.

De plus, le média de transfert circule de façon continue ou discontinue entre les deux zones d'action, ce qui lui permet d'assurer un transfert d'enthalpie de la zone A vers la zone B. Si la circulation est discontinue, le transfert se fait en deux temps : d'abord les fluides circulent et échangent de l'enthalpie avec le média immobile présent dans chaque zone d'action jusqu'à atteindre sa saturation en enthalpie, puis le média est mis en mouvement pour changer de zone, puis il est à nouveau immobilisé. Alors les fluides échangent à nouveau de l' enthalpie avec les nouveaux éléments de média qui viennent d'arriver dans leur zone d'action respective.

Une circulation continue est plus préférée car elle rend les échanges plus réguliers, mais la gestion du débit de circulation est plus complexe et requiert un dispositif de régulation plus élaboré.

Un avantage de l'invention est que le changement du débit de circulation du média de transfert permet un ajustement de la puissance de l'échange d' enthalpie. De plus, grâce à la circulation des fluides au cœur du média circulant, l'échange enthalpique est très performant et se traduit par un écart de température (ou pincement) faible entre les fluides (en général moins de 50°C), là où un échangeur traditionnel à plaques ne pourrait pas avoir un pincement inférieur à 100°C, notamment si les fluides sont des gaz à très haute température.

Un mélange entre les fluides A et B qui circulent librement dans le média de transfert 5 peut advenir à la frontière entre les deux zones d'action. Ceci peut être problématique, par exemple, si l'un des fluides est considéré sale par rapport à l'autre.

Selon une variante de l'invention, le mélange est limité grâce à l'utilisation d'une régulation des débits de fluide A et B, de sorte que le débit d'un des fluides, considéré propre, est supérieur de plus de 1% au débit de l'autre fluide, considéré sale, assurant une fuite du fluide propre vers le fluide sale et empêchant l'inverse.

Selon une autre variante de l'invention, le mélange est limité par l'installation d'un obstacle à l'échange des fluides grâce à une plaque de séparation 7. Cette plaque 7 est avantageusement calibrée pour générer une perte de charge de plus de 10 Pa, limitant ainsi les échanges de fluide à la frontière. Afin de permettre la circulation du média, cette plaque présente une ou plusieurs ouvertures 71 et est mue en rotation par un équipement moteur non représenté. La rotation des ouvertures permet une communication entre les zones d'action et donc le transfert de particules du média.

Le mélange des fluides entre zones peut aussi être limité par l'installation d'un goulot d'étranglement dans l'enceinte en lieu et place de la plaque de séparation 7, laissant par exemple une section de passage libre entre les 2 zones valant 30% de la section totale dans chaque zone .

Selon une variante de l'invention, comme indiqué en figure 2, le fluide B circule séparément dans un circuit étanche 6 de type serpentin ou plaque d'échangeur. Ce circuit étanche est placé en périphérie de l'enceinte 2 et/ou à l'intérieur de façon répartie dans toute la seconde zone d'action 22, afin de faciliter le transfert d'enthalpie depuis le média vers ce circuit. Le circuit étanche est parcouru depuis une entrée 61 jusqu'à une sortie 62 par le fluide B. Un des avantages est que le fluide B peut présenter une pression différente de celle régnant dans l'enceinte. Un autre avantage est que le mélange entre les fluides A et B est alors impossible.

De façon réciproque, le fluide A peut circuler dans un circuit étanche et le fluide B traverser librement le média de transfert.

Le scénario des deux fluides circulant dans un circuit étanche avec le média de transfert 5 servant d'intermédiaire est aussi possible.

Selon une variante de l'invention, le média de transfert 5 traverse successivement trois zones d'échange calorique, chaque zone étant parcourue par un fluide spécifique, nommé pour la description A, B et C. Par exemple, cette organisation permet d'assurer un échange thermique entre un fluide A apporteur d'enthalpie et deux fluides B et C récepteurs d'enthalpie. Dans un tel cas, il sera possible d'avoir une première zone d'échange où le fluide A circule librement dans le média de transfert 5, puis une seconde zone d'échange où le fluide B circule librement dans le média de transfert 5 et récupère de l'enthalpie du média 5, tel que décrit supra, puis une troisième zone d'échange avec circulation séparée du second fluide récepteur C, dans un circuit étanche. Ce troisième fluide permet de soutirer l'enthalpie résiduelle à une température inférieure à celle du fluide B.

D'autres combinaisons selon cette logique de plusieurs étages sont possibles, selon la nature, la température et la pression des fluides en jeu.

Le transfert d'enthalpie est avantageusement amélioré grâce à l'installation d'ailettes 63 au cœur de l'enceinte 2, construites en matériau conducteur de chaleur, comme par exemple en acier réfractaire. Tout matériau présentant une capacité à transmettre de la chaleur convient. Typiquement un matériau ayant une conductivité thermique lambda de plus de 0.2 W/mK convient.

Lorsque le média de transfert 5 est sorti de l'enceinte 2, il convient de le mouvoir depuis l'orifice de soutirage 52 vers l'orifice de réintroduction 51. A cette fin, lorsque le mouvement du média de transfert 5 est de haut en bas dans l'enceinte 2, un convoyage vertical d'élévation est requis. Celui-ci pourra se faire par vis d'archimède, tapis roulant, élévateur à godets, vérin ascenseur ou tout autre moyen mécanique permettant un convoyage vertical. Le média de transfert, à sa sortie de l'enceinte, est refroidi par le fluide récepteur d'enthalpie, ce qui limite les contraintes mécaniques et construct ives du mécanisme de convoyage vertical dudit média.

Selon une variante de l'invention, comme représenté en figure 3 et 4, afin de permettre un transfert du média de transfert du bas vers le haut à 1 ' intérieur de l'enceinte, un moyen d'élévation à traînée asymétrique 9 est utilisé. Ce moyen comprend un axe 91 auquel est attaché un pivot 93 et deux palettes 92. Lorsque l'axe 91 est poussé vers le bas, le pivot 93 autorise la fermeture des palettes sous l'effet de la résistance du média de transfert 5, et l'ensemble 9 s'enfonce dans le média 5. Lorsque l'axe 91 est tiré vers le haut, les palettes s'ouvrent et entraînent quelques particules du média de transfert .

Avantageusement la sortie du média de l'enceinte 2 permet de lui prodiguer des traitements spécifiques.

Par exemple, les particules du média de transfert 5 sont nettoyées afin de séparer et évacuer des dépôts encrassants reçus durant le transfert du média 5 dans l'enceinte du dispositif 1. Ce nettoyage peut être effectué dans un bain d'eau pure ou additivée d'agents de nettoyage tels des surfactants, ou dans un bain de solvant, ou sous une douche d'eau ou de solvant, ou sous un jet de gaz de nettoyage ou de vapeur, telle de la vapeur d'eau.

Une variante de nettoyage peut utiliser un dispositif de nettoyage par vibrations, notamment afin de séparer des poussières collées sur les particules de média en les faisant circuler sur un tamis vibrant, ou un dispositif de nettoyage par vibrations à haute fréquence, tels des ultrasons dans un bain de liquide nettoyant.

Il convient aussi de séparer les particules de média de transfert 5 en bon état de celles qui sont usées, cassées et qui ne peuvent plus remplir leur fonction. Pour cela, le passage des particules de média 5 dans un moyen de criblage de type tamis vibrant ou tambour rotatif est avantageux .

Cette opération de criblage peut être combinée à l'opération de nettoyage des particules du média de transfert.

Enfin tout autre traitement est possible, comme une opération d'incinération des dépôts organiques à très haute température, ou une opération de mélange avec des additifs favorisant le bon fonctionnement du dispositif, par exemple un mélange des éléments de média avec de la chaux qui permet de capter des éléments chimiques présents dans le fluide, ou une opération de réchauffage des particules de média de transfert 5 afin de réduire le risque de choc thermique qu'elles pourraient subir lors de leur réintroduction dans l'enceinte 2. Notons qu'un tel réchauffement n'a pas vocation à réchauffer le fluide B, mais juste d'atténuer les écarts de température pour les particules de média 5. Le débit de particules de média de transfert 5 et leur température de réchauffage représente ainsi une puissance thermique valant moins de 30% de la puissance d'échange d'enthalpie effectuée par le dispositif objet de l'invention, et ne peut se substituer à l'enthalpie principale apportée par le fluide A.

Selon l'invention, il est avantageux de disposer d'une zone spéciale de condensation. En effet, une particularité de l'invention est de permettre la récupération de la chaleur latente. Pour cela, lorsqu'un gaz chaud refroidit en deçà du point de rosée, il apparaît une condensation de liquide au cœur du média de transfert.

Cette condensation cause la production d'une quantité de liquide qu'il s'agit d'évacuer de l'enceinte. A cette fin, une zone de collecte des condensats est installée dans l'enceinte.

Si la condensation s'effectue en partie basse de l'enceinte, la zone de condensation consiste en un collecteur de condensât relié à une évacuation basse.

Si la condensation s'effectue en partie haute de l'enceinte, comme indiqué en figure 5, c'est à dire si le fluide refroidit en même temps qu'il monte dans l'enceinte, une zone de condensation 10 spécifique est requise, par exemple sous la forme d'un chenal incliné. Ainsi le fluide qui sort de l'enceinte par la sortie 32 refroidit au contact du média entrant par l'entrée 51, génère des condensats 11 qui s'écoulent vers le fond du chenal 12.

Toute autre solution de collecte est évidemment possible. Par exemple, un moyen de collecte tel que représenté en figure 6 comprend une nappe de tubes 13 disposés horizontalement à l'intérieur de l'enceinte 2. Ces tubes présentent une partie inférieure fermée et une partie supérieure ouverte par des perforations 14, suffisamment petites pour que des éléments du média de transfert 5 ne puissent pas y rentrer. Les condensats 11 s'écoulent verticalement, passent dans les perforations 14 et sont collectés par les tubes 13 et évacués par un collecteur chenal 12 qui relie les tubes 13 vers une évacuation générale.

Si la zone de collecte ne permet pas la récupération intégrale des condensats, certains condensats retombent dans la zone principale où ils sont revaporisés par le fait de la plus haute température régnant dans la zone inférieure. Les vapeurs sont alors entraînées par le fluide qui monte, refroidissent à nouveau, condensent et ont une nouvelle chance d'être collectées. Cela entraine une augmentation du taux de vapeur ou gaz condensable ce qui augmente le débit de condensats et la probabilité pour ceux-ci d'être collectés et évacués de l'enceinte 2. Ainsi, la solution est efficace même si tous les condensats ne sont pas captés au premier passage.

La condensation assure aussi une fonction de lavage interne des éléments de média. Par exemple, s'il s'agit de fumée ou de gaz de synthèse issu d'une gazéification, il est possible de collecter des poussières, de l'ammoniac (NH3), de l'acide chlorydrique (HCL) , de l'acide sulfurique (S02) et la plupart des composés organiques volatils qui sont solubles ou captés par les condensats. L'efficacité du lavage peut dans certains cas être telle que les moyens de traitement et de filtration du média apporteur pourront être fortement réduits. Les condensats ainsi chargés d'éléments indésirables nécessiteront un traitement avant leur évacuation du procédé.

Selon une variante de l'invention, il est avantageux de recycler les condensats. Ce recyclage des condensats traités dans la zone de condensation permet de diluer les acides et les autres polluants, stimuler la condensation, améliorer le lavage du média apporteur, et surtout, par le contrôle de la température des condensats recyclés, à faire évoluer le point de rosée.

L'invention concerne également un procédé d'échange d'enthalpie utilisant les dispositifs et les configurations décrits ci-dessus.

Dans le cas d'un cycle de cogénération chaleur et électricité à base d'un cycle de Rankine avec vapeur d'eau ou de tout fluide organique alternatif, il est avantageux d'utiliser l'invention pour récupérer l'enthalpie des fumées de combustion en tant que fluide A que l'on fait circuler librement dans le média de transfert, afin de chauffer et de vaporiser de l'eau en tant que fluide B qui circule dans un échangeur étanche baigné par le média circulant. Tous les avantages de l'invention sont ainsi obtenus .

Un avantage supplémentaire est qu'il est ainsi possible d'augmenter la température de surchauffe de la vapeur en tant que fluide B, tout en bénéficiant d'une plage d'enthalpie supérieure pour la production de vapeur par la récupération d'une partie de la chaleur latente, et de plus de chaleur sensible. On peut ainsi obtenir un supplément d'enthalpie supérieur à 6% par rapport aux solutions conventionnelles.

Comme variante, il est avantageux de préchauffer l'air de combustion en tant que fluide C dans le cas de trois étages. Cela permet de mieux refroidir le média de transfert, permettant ainsi d'améliorer la récupération de la chaleur latente par condensation.

Dans le cas d'un procédé de gazéification par voie thermique, le syngaz produit a une température qui peut dépasser 1200°C et peut avantageusement circuler au travers de l'invention en tant que fluide A, afin de transmettre son enthalpie à divers fluides récepteurs destinés à alimenter en énergie thermique le procédé, et notamment une étape de pyrolyse ou thermolyse en amont, par exemple, en faisant circuler le fluide dans un réseau de tuyaux enveloppant l'enceinte du dispositif mis en œuvre. Il peut aussi chauffer de l'air ou tout autre fluide afin de réduire le taux d'humidité des entrants destinés à alimenter le procédé de gazéification, par exemple par le biais d'un moyen de chauffage. Il peut enfin transmettre le complément d'énergie à tout procédé externe audit procédé de gazéification, de telle sorte que le rendement du procédé soit maximisé.

De façon générale, le fluide B peut être un liquide caloporteur, une huile thermique, un sel fondu, un métal fondu ou bien de l'eau pouvant être sélectionnés en fonction de la plage de température requise.

Selon une variante de l'invention, il est avantageux de disposer d'un fluide B le plus froid possible afin de capter le plus d'enthalpie possible du fluide A. A cette fin, l'aide d'une pompe à chaleur qui traite le fluide B, qui sort du dispositif d'échange d'enthalpie après avoir capté l' enthalpie du fluide A, en tant que source chaude, permet d'une part de prélever l' enthalpie du fluide B, de la restituer à plus haute température à un fluide auxiliaire en tant que source froide, et aussi de refroidir davantage le fluide A lors du retour du fluide B refroidi dans le dispositif d'échange d'enthalpie 1.

Selon une variante de l'invention, l'échange d'enthalpie est avantageux mais pas indispensable dans l'objectif de procéder à une épuration de fluide.

Ainsi, si le fluide A comporte des éléments indésirables qu'il s'agit de collecter et de séparer, l'invention s'emploie de la façon suivante: le fluide A circule à travers les vides d'un média de collecte et de transfert. Lors de cette traversée, des éléments indésirables touchent les parois des éléments du média et sont captés. Lorsque le média est déplacé vers la zone d'action du fluide B, une partie des éléments indésirables sont entraînés avec. Le fluide B est alors employé comme un fluide de nettoyage car en traversant le média, il va procéder à son lavage. Le média propre est alors retourné vers la zone d'action du fluide A. Selon une variante de l'invention, un nettoyage complémentaire du média est réalisé hors de l'enceinte 2, lors du transfert du média hors de l'enceinte 2.

Par exemple le fluide A est des fumées de procédé de combustion de biomasse dans une chaudière de cogénérat ion, comportant des poussières en suspension à séparer. Le média est des billes d'acier austénitique recouvertes d'une couche d'agent de collecte tel de l'eau additionnée d'agent tensioactif. Le fluide B est de l'eau de lavage. Le média est injecté dans l'enceinte 2 en mélange avec de l'agent de collecte afin que toute la surface du média en soit recouverte. Lors de la circulation du fluide A, les poussières sont captées et collent à la surface des billes. Lorsque les billes se déplacent dans la zone d'action du fluide B, elles entraînent les poussières qui sont alors lavées par le fluide B.

Cette épuration peut être améliorée en déclenchant la condensation des vapeurs d'eau contenues dans le fluide A. A cette fin, le média est volontairement refroidi en dessous de la température de rosée du fluide A, soit par le fluide B dans sa zone d'action, soit par un autre fluide C dans une troisième zone d'action.

Selon une variante de l'invention, l'effet d'épuration amélioré par la condensation sera encore plus amélioré en procédant à la recirculation d'une partie des condensats dans le fluide A, après traitement spécifique de nettoyage de ces condensats. Ainsi le taux de vapeur condensable présent dans le fluide A est accru et le phénomène de condensation, donc d'épuration, sera plus intense.

Selon une autre variante de l'invention, l'agent de collecte est un agent de fonte, tel des sels alcalins, qui est introduit en mélange avec le média de transfert froid. Le fluide A est apporteur de calorie de sorte que l'agent de fonte fond et forme une couche collante et collectrice sur les particules du média. Le fluide B est un gaz chargé d'éléments indésirables qui sont collectés par les surfaces du média et le fluide B est ainsi épuré lors de son passage dans sa zone d'action. Le média est alors évacué et subit une étape de nettoyage.

Selon une variante de l'invention, l'épuration du fluide A peut correspondre à la situation suivante : le fluide A est un gaz chargé d'éléments chimiques indésirables, tels de l'hydrogène sulfureux gazeux, l'acide hypochloreux ou les métaux lourds. Le média est du charbon actif dont le rôle est de capter les vapeurs indésirables par adsorption, lorsque le fluide A le traverse. Ensuite le média est déplacé dans la zone d'action d'un fluide B chaud, qui va réchauffer le média et assurer la désorption des éléments adsorbés alors évacués avec le fluide B.