WO2026022073A1 - Insert rotatif pour tube d'echangeur de chaleur - Google Patents

Insert rotatif pour tube d'echangeur de chaleur

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WO2026022073A1
WO2026022073A1 PCT/EP2025/070830 EP2025070830W WO2026022073A1 WO 2026022073 A1 WO2026022073 A1 WO 2026022073A1 EP 2025070830 W EP2025070830 W EP 2025070830W WO 2026022073 A1 WO2026022073 A1 WO 2026022073A1
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WO
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insert
tube
section
heat exchanger
insert according
Prior art date
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PCT/EP2025/070830
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English (en)
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Yousef AL-MAQALEH
Yacine HAROUN
Hanane BOURAS
Matei BADALAN
Luis Enrique MARTINEZ ALVARADO
Guillaume MAILLET
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Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • F28G3/00—Rotary appliances
    • F28G3/10—Rotary appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted
    • F28G3/12—Rotary appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted resiliently mounted

Definitions

  • the present invention relates to the field of inserts for tubular heat exchangers used to improve heat transfer efficiency and/or reduce fouling of heat exchanger tubes in industrial units, for example, units used in oil refining, petrochemicals, or the chemical industry in general.
  • the present invention relates to a tubular heat exchanger insert comprising a rotating, spring-shaped moving element with a tighter pitch at the tube inlet.
  • Heat exchanger insert technologies are used to improve heat transfer efficiency and reduce fouling of industrial heat exchanger tubes.
  • These deposits can consist of accumulating suspended impurities, deposits of dissolved mineral salts in liquid streams, forming coke, or soluble sulfur compounds in hydrocarbon streams. They can be generated by excessive fluid temperatures or result from corrosion. These deposits, which gradually accumulate on the walls of heat exchanger tubes over time, impair the performance of the heat exchangers, causing them to lose efficiency over time.
  • the deposits form a solid substance with low thermal conductivity which has the effect of insulating the walls and reducing heat transfer in the exchanger, ultimately damaging the energy efficiency of the industrial processing or manufacturing unit in question implementing the heat exchanger.
  • inserts in heat exchangers aims to improve heat transfer, in particular because the inserts promote turbulence which leads to a reduction in the thermal boundary layer, thus decreasing the resistance to heat transfer and improving heat transfer efficiency, and to prevent fouling of heat exchangers.
  • inserts exist in the industry, such as a wire winding, a twisted band, or a central shaft with blades. These inserts may have moving and/or static parts and may or may not be attached to the tube, and if so, in various ways, for example, on one end or both ends of the tube.
  • Two main types of inserts for tubular heat exchangers can be distinguished: static inserts and rotating inserts driven by the flow of the liquid through the tube. Both types of inserts promote heat transfer and reduce fouling.
  • rotating inserts generally offer better performance, both in terms of fouling reduction, thanks to the mechanical effect of the insert's rotation, and in terms of pressure drop, which is a factor to consider for insert performance.
  • a minimal pressure drop is generally desired—one that is less than the pressure drop of a tube without an insert—to avoid compromising the heat exchanger's energy efficiency and potentially to prevent the need to replace the upstream fluid circulation equipment. the exchanger.
  • a rotating type insert generally induces less pressure loss than a fixed insert, for example up to 40% less pressure loss.
  • the insert comprises a rigid, solenoid-shaped metal winding that is rotated by the fluid flowing in the tube.
  • the rigid insert is configured to allow free rotation of the winding around the tube axis.
  • the pitch of the metal winding can be fixed or variable.
  • Figure 1 illustrates a rotating insert of this type, comprising a rigid helical metal winding with a plurality of turns, of length L, diameter D, pitch p, and angle of inclination ⁇ (a) defined with respect to the central axis of the winding, which coincides with the axis X of the heat exchanger tube in which the insert is mounted.
  • the metal rod forming the winding has a thickness e.
  • the metal winding has a free end and an end fitted with a ring that passes through the hook of a rotating trunnion held in the bore of a bearing, allowing the insert to rotate freely about the axis of the heat exchanger tube.
  • the bearing consists of a stirrup-shaped part with two prongs at one end for attachment to the tube (tube not shown), and a central part with a bore for retaining the trunnion. At its end opposite the hook, the trunnion has a washer-shaped head to hold it captive in the bearing.
  • the present invention aims to overcome, at least in part, the prior art problems described above, and in particular to improve the operational flexibility of an insert for
  • a rotary tubular heat exchanger is proposed, specifically one with an insert that can operate at low fluid flow velocities in the tube, typically below 1 m/s, to provide a mechanical effect by rotating it at these low flow speeds. Therefore, a rotary insert with a low rotation threshold is proposed, enabling it to function at low fluid flow velocities in the tube.
  • the present invention aims to provide a device for reducing fouling and/or improving heat exchange for heat exchanger tubes that is robust (risk of breakage minimized), that limits pressure losses while being able to be used at low fluid flow velocities in the tube.
  • an insert for a heat exchanger tube comprising a rotating movable element having a rigid helical winding of a rod comprising several turns, said element having: a first end fixed to a mechanical link of a system for fixing said element to the tube, the mechanical link allowing the free rotation of the element on itself around the axis (X) of the tube under the action of a fluid passing through the tube, a second free end, and the rigid helical winding being constituted by a first section of length L1 originating at the first end and a second section of length L2 in the extension of the first section, the first pitch pl of the turns of the first section being smaller than the second pitch p2 of the turns of the second section.
  • the pitch pl is between 5 mm and 20 mm, preferably between 5 mm and 15 mm.
  • the pitch p2 is between 10 mm and 60 mm, preferably between 20 mm and 40 mm, it being understood that p2 > pl.
  • the length L1 is between 100 mm and 3000 mm, preferably between 200 mm and 1000 mm.
  • the insert has a total length between 50% and 100% of the total length L t of the heat exchanger tube.
  • the insert is inserted into a tube of total length L t between 500 mm and 15,000 mm, preferably between 1,000 mm and 6,000 mm.
  • the rigid helical winding has a circular or square cross-section, preferably circular.
  • the diameter e1 of the winding stem of the first section and the diameter e2 of the winding stem of the second section are between 0.5 mm and 5 mm, preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the diameter e1 of the winding stem of the first section and the diameter e2 of the winding stem of the second section are identical.
  • the diameter of the turns of the winding D is between 80% and 99% of the internal diameter of the exchanger tube Dt, preferably between 85% and 95%.
  • the rod of the rigid helical winding is metallic.
  • the present invention relates to a heat exchanger comprising a plurality of tubes through which a fluid passes, said heat exchanger comprising an insert according to the invention, fixed to the upstream end of at least one of said tubes.
  • the present invention relates to the use of a tubular heat exchanger insert according to the invention for preheating crude oil in an atmospheric distillation process of said crude oil, or for preheating a hydrocarbon feed in a hydroconversion or hydrotreating process of said hydrocarbon feed, or for evaporating or condensing a fluid in a nuclear power plant.
  • the tubular heat exchanger insert according to the invention is very advantageously used for preheating crude oil in an atmospheric distillation process of said crude oil.
  • Figure 1 already described above, represents an insert and its method of attachment to the heat exchanger tube according to the prior art.
  • Figure 2 is a three-dimensional (3D) schematic view of an embodiment of the insert according to the invention.
  • Figure 3 represents the same embodiment as that illustrated in Figure 2, further showing a portion of a heat exchanger tube and a system for attaching the insert to the tube.
  • Figure 4 shows a rear view of a portion of the insert and heat exchanger tube in the same embodiment as that illustrated in Figures 2 and 3.
  • Figure 5 is a diagram of the rotational speed V R (RPM) of the insert as a function of the normalized fluid speed V F (V F /V Fr ef) of an example of an insert according to the prior art and an example of an insert according to the invention.
  • Figure 6 is a diagram of the normalized pressure loss (APi/AP tv ) as a function of the normalized fluid velocity V F (V F /V Fr ef) generated by the inserts tested in the examples.
  • Figure 7 is a schematic three-dimensional (3D) view of an insert not in accordance with the invention.
  • the terms “essentially,” “substantially,” or “approximately” relative to a reference value correspond to an approximation of ⁇ 10%, ⁇ 5%, preferably ⁇ 1%, and most preferably ⁇ 0.5%. This may be a value of temperature, pressure, distance, speed, flow rate, compound content, etc.
  • the various parameter ranges characterizing a given device, or relating to a step in a process implementing said device such as ranges relating to dimensions (lengths, diameters, etc.), angles, pressure ranges, or temperature ranges, may be used alone or in combination.
  • a preferred range of pressure values may be combined with a more preferred range of temperature values.
  • pressures are absolute pressures, also noted as abs., and are given in absolute MPa (or abs. MPa), unless otherwise indicated.
  • the positions "front”, “rear”, “horizontal”, “vertical”, etc. of the various elements of the insert and the heat exchanger tube are defined in relation to a tubular heat exchanger in the operating position and in relation to the direction of flow of the fluid passing through the heat exchanger tube.
  • V_SF the threshold speed for rotation of an insert, which is a surface velocity, more precisely a specific value of V_SF unique to the insert used.
  • rigid refers to the helical winding of a rod, preferably metallic, meaning a winding that does not deform, or hardly deforms, irreversibly under the action of the fluid that rotates the moving part containing said winding, under normal operating conditions of the heat exchanger tubes.
  • said winding does not deform, or hardly deforms, irreversibly when the circulating fluid exhibits variations in speed, viscosity, and/or temperature.
  • a tube-side heat exchanger or tubular heat exchanger, is defined as a heat exchanger comprising at least one tube inside which flows a fluid commonly referred to as the "tube-side fluid," exchanging heat with a fluid flowing outside said tube.
  • the heat exchangers referred to in this invention are classically shell-and-tube heat exchangers, with straight (straight) tubes, in which the tube-side fluid flows inside a set of parallel tubes called a tube bundle. These tubes are enclosed in a shell called a shell.
  • the other fluid called the “shell-side fluid,” flows inside the shell but outside the tubes.
  • the flow of the fluids on the tube and shell sides can be co-current and/or counter-current.
  • the tubes are often long, typically up to 6 m, and of small diameter to optimize the surface area to volume ratio. They are generally held at their ends in perforated plates called tube sheets, which serve to support the tubes and also to separate the fluids, and may be supported between the tube sheets by intermediate support plates (perforated plates transverse to the tubes).
  • the tubes may also be U-shaped, and their ends may, for example, be attached to a single tube sheet.
  • Shell and tube heat exchangers can be single-pass or multi-pass, for example, two-pass (the fluid on the tube side flows through the tubes in one direction, then returns in the opposite direction thanks to an internal configuration (such as a partition in a plenum, or via a U-shaped tube configuration)).
  • the pitch of a helical winding with multiple turns is understood by the commonly accepted definition, which is the distance measured between the centers of two turns. In a two-dimensional representation, it is the distance between two crests on the same side of the winding axis, and in a three-dimensional representation, it is the length (distance) between two turns around the axis of revolution of the coil (or distance traveled around the axis of revolution of the coil to make one complete turn).
  • the present invention proposes an insert for a heat exchanger tube.
  • said insert comprises a rotating element 1 formed by a rigid helical winding of a rod, preferably metallic, having several turns.
  • the rotating element 1 has a first end fixed to a mechanical link 22 of a fastening system 20 of the element 1 to the tube 10 of the heat exchanger, the mechanical link 22 allowing the free rotation of the element 1 about itself around the axis X of said tube 10 under the action of a fluid flowing through the tube (cylindrical tube with axis X).
  • the second end of the rotating element 1, opposite the first end, is free.
  • the winding consists of a first section SI of length L1 originating at the first end of the element 1 and a second section S2 of length L2 in the extension of the first section SI, the first pitch pl of the turns of the first section SI being smaller (strictly less) than the second pitch p2 of the turns of the second section S2.
  • the moving element when used in a heat exchanger tube, the moving element is rotated by the circulating fluid.
  • This increases the turbulence of the circulating fluid, improves heat exchange, and homogenizes the temperature of the circulating fluid throughout the tube's cross-section. This prevents the formation of hot spots on the tube wall and consequently significantly reduces the risk of solid deposit formation and improves heat transfer, which is typically hampered by this type of deposit.
  • the rotating insert also scrapes away any deposits that may have formed on the wall, thus reducing fouling.
  • heat transfer is improved due to the increased turbulence of the circulating fluid caused by the insert's rotation, which enhances convective heat transfer.
  • the rotation threshold of an insert corresponds to the minimum surface velocity of the circulating fluid that allows the insert's moving element to rotate.
  • the moving element rotating in the opposite direction to the helical winding of the spring, with a speed that depends on its weight, geometric characteristics, flow rate, viscosity, and density of the circulating fluid, therefore has its own specific rotation threshold.
  • the insert according to the invention has the capacity to have a low rotation threshold compared to existing rigid helical winding type inserts.
  • the inventors have shown that the presence of an initial section with a tighter pitch compared to the rest of the winding of the moving element of the insert, particularly according to the specifications described below, makes it possible to reduce the threshold for starting rotation of the insert, thus ensuring a mechanical effect in low flow velocity ranges (typically less than 1 m/s) of the fluid in the heat exchanger tube, which improves the flexibility of use of this type of insert.
  • the pitch pl of the first SI section is between 5 mm and 20 mm, preferably is between 5 mm and 15 mm, and more preferably between 7 mm and 12 mm.
  • the pitch p2 of the second section S2 is between 10 mm and 60 mm, preferably is between 20 mm and 40 mm, it being understood that p2 > pl.
  • the ratio between the pitch pl and the pitch p2 is between 0.1 and 0.7, preferably between 0.20 and 0.45.
  • the turn inclination angle a is defined with respect to the winding axis coinciding with the X-axis of the heat exchanger tube in which the insert is mounted.
  • Angle ai refers to the turn inclination angle of the first winding section, and angle a2 to the turn inclination angle of the second winding section, as shown in Figure 2.
  • the first section SI and the second section S2 are joined together, and can form a single piece or be two separate pieces connected in such a way as to be joined together by means of assembly such as a hook-washer assembly or any other means of assembly.
  • the total length of the insert is essentially made up of the total length of the rigid helical winding which is the sum of the lengths L1 and L2 of the first and second sections.
  • the length L2 of the second section S2 can therefore be defined as the total length of the insert, related to the length of the heat exchanger tube, minus the length L1 of the first section. For example, if the total length of the insert is equal to that of the tube and is 6000 mm, the length L2 is approximately between 5900 mm and 4000 mm, and preferably approximately between 5800 mm and 4000 mm.
  • the total length of the insert is less than or equal to the total length of the heat exchanger tube 10, and preferably between 50% and 100% of the total length of the heat exchanger tube 10: the total length of the insert is preferably between L t /2 and L t , with L t the length of the exchanger tube 10.
  • the heat exchanger tube 10 can have a total length ranging from 500 mm to 15,000 mm, preferably between 1,000 mm and 6,000 mm.
  • heat exchangers commonly used in oil refining such as for preheating crude oil in atmospheric distillation, can have heat exchanger tubes ranging from 1 meter to 6 meters in length.
  • heat exchangers in nuclear power plant condensers can have tubes up to 14 meters long.
  • the rigid helical winding has a diameter D, which corresponds to the diameter of the turns of the winding.
  • the diameter D is common to the first and second sections SI and S2 constituting the rigid helical winding.
  • the diameter D of the winding turns is greater than or equal to 80% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 10, preferably greater than or equal to 90% of the diameter Dt, in order to generate optimal turbulence in the circulating fluid and to scrape deposits from the tube wall effectively.
  • the diameter D of the winding turns is between 80% and 99% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 10, more preferably between 85% and 95% of the diameter Dt.
  • the diameter of the tubes can be between 10 mm and 100 mm, preferably between 10 mm and 50 mm.
  • a gap "c" exists between the insert and the inner wall of the tube 10 such that the helical winding of the moving element does not touch the tube wall, as shown in Figure 4, which depicts a rear view of a portion (part of the first section) of the insert and the heat exchanger tube. This prevents damage to the tube wall, for example, by creating scratches that could form surface irregularities and promote corrosion.
  • This gap "c" is preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the winding can have a cross-section of various shapes, and preferably a circular or square cross-section, and more preferably a circular cross-section.
  • the rod, preferably metallic, forming the rigid helical winding has a diameter e1 at the first section SI, and has a diameter e2 at the second section S2.
  • the diameters el and e2 are preferably between 0.5 mm and 5 mm, more preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the winding direction which can also be defined as the direction of the pitch of the turns, can be clockwise, or counterclockwise (relative to the direction of fluid flow in the tube, represented by an arrow along the X axis in the figures).
  • the material forming the insert can be coated with a layer of protective material, typically a polymer layer.
  • Each insert advantageously includes its own tube fixing system, although a common fixing system shared between the inserts of the other heat exchanger tubes would not fall outside the scope of the present invention.
  • the present invention also relates to a heat exchanger comprising a plurality of tubes 10 through which a fluid flows, comprising an insert according to the invention, in particular fixed to the upstream end of at least one of these tubes.
  • the heat exchanger according to the invention is advantageously a shell and tube heat exchanger as defined above.
  • the diameter of the tubes can be between 5 mm and 100 mm, preferably between 10 mm and 80 mm, preferably between 10 mm and 50 mm.
  • the present invention relates to the use of such an insert during the preheating of crude oil in an atmospheric distillation process.
  • it is common practice to perform atmospheric distillation of crude oil, which is preheated, before being sent to the distillation column, in tubes of one or more heat exchangers in contact with the hot atmospheric residue from the atmospheric distillation.
  • the present invention relates to the use of a tubular heat exchanger insert according to the invention during the preheating of crude oil, in particular an atmospheric distillation process employing one or more heat exchangers comprising a plurality of tubes through which crude oil flows, said exchanger(s) being equipped with at least one insert according to the invention, in particular fixed to the upstream end of at least one of said tubes.
  • the use of such an insert in this context notably provides operational flexibility at both low and high flow rates, which can be linked to a transient or steady-state regime.
  • the heat exchanger inserts according to the invention can be used in other industrial processes employing tubular heat exchangers and fluids, including but not limited to fluids that may foul said exchangers, particularly in the field of oil refining or petrochemicals, without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention thus relates, for example, to the use of a tubular heat exchanger insert as described herein in a hydrotreating or hydroconversion process for hydrocarbon feedstocks, particularly petroleum fractions, typically for preheating such a feedstock by means of so-called "feed-effluent" exchangers incorporating at least an insert according to the invention, in which the charge is heated by an effluent from the hydrotreatment or hydroconversion unit.
  • the cold model includes a transparent PVC heat exchanger tube with a length of 3 m and a diameter of 21 mm (internal diameter Dt), in which water at ambient temperature and pressure is circulated, over a surface velocity range in the tube of between 0.5 and 2 m/s.
  • example A example of an insert according to the prior art, as illustrated in figure 1, in which the rigid helical winding consists of a single section of fixed pitch p.
  • Example B Example of an insert according to the invention, according to an embodiment as illustrated in Figure 2, in which the rigid helical winding consists of two successive sections SI and S2 of different pitches pl and p2, with pl less than p2.
  • example C example of an insert not conforming to the invention, as illustrated in figure 7, in which the rigid helical winding consists of two successive sections SI and S2 of different pitches pl and p2, with pl less than p2, repeated twice (RI and R2).
  • the rigid helical winding of the moving element of the inserts in examples A, B, and C is made of carbon steel and has a circular cross-section.
  • the winding direction is clockwise relative to the position of the insert at the tube inlet.
  • - D, L, p and e are respectively the diameter, total length, pitch of turns and thickness of the rigid helical metal winding of the insert according to example A;
  • L1 and L2 are respectively the lengths of section SI and section S2 of the rigid helical metal winding of the insert according to example B. These lengths L1 and L2 are also those of sections SI and S2 of each of the two repetitions of the assembly S1/S2 of the rigid helical metal winding of the insert according to example C.
  • the rigid helical winding has a total length of 3 m broken down as follows: 2 times the length L1 (0.5 m) for each section SI, i.e. 0 1 m, plus 2 times the length L2 (1 m) of the section S2, i.e. 2 m;
  • - pl and p2 are respectively the pitches of sections SI and S2 of the rigid helical metal winding of the insert according to example B and according to example C.
  • - el and e2 are respectively the thicknesses of sections SI and S2 of the rigid helical metal winding of the insert according to example B and according to example C.
  • the evolution of the rotation speed of the insert in revolutions per minute (rpm) is plotted as a function of the surface velocity of the liquid in the tube, normalized by the minimum velocity of the liquid for starting the rotation of the insert according to example A taken as a reference.
  • the diagram in Figure 5 thus shows the rotation speed V R (RPM or rpm) of the insert according to example A (rigid helical winding of the moving element of insert "A") and according to example B according to the invention (rigid helical winding of the moving element of insert "B"), as a function of the normalized liquid speed V F : V F /V Fr ef, V Fre f being the minimum liquid speed for starting rotation of the insert according to example A.
  • the rotational speed of the insert according to example A is 1 m/s, and that of an insert according to example B is less than 1 m/s.
  • the results indicate that an insert According to the invention, as exemplified in example B, it is possible to reduce the rotation threshold of the insert by 20% (-20%), thus allowing better performance on the reduction of fouling, at low fluid speeds, thanks to the rotary mechanical effect.
  • test results for the insert according to example C which features a helical winding consisting of two repetitions of a SI section followed by an S2 section, show that periodically adding a section with a tighter twist pitch than the other section does not reduce the threshold fluid speed for rotation.
  • using two SI sections with a tighter twist pitch compared to the S2 section located in the extension of the SI section has a counterproductive effect: the insert does not rotate, even at the highest speeds.
  • the tight twist pitch on two periodic SI sections causes vibration rather than rotation.
  • this configuration causes a significantly greater increase in pressure loss, visible in the diagram in Figure 6 representing the normalized pressure loss, which is the ratio between the pressure loss of the tested insert APi and the pressure loss of the empty tube, AP tv , generated by the inserts according to examples A, B, and C, as a function of the normalized fluid velocity V F (V F /V F ref).

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Abstract

La présente invention concerne un insert pour tube (10) d'échangeur de chaleur pour améliorer l'efficacité de transfert thermique et/ou réduire l'encrassement des tubes d'échangeurs de chaleur d'unités industrielles, par exemple des unités mises en œuvre dans les domaines du raffinage du pétrole, de la pétrochimie ou de la chimie en général. L'insert comporte un élément mobile rotatif en forme de ressort (1) comportant un pas p1 plus resserré en entrée du tube (10) par rapport au reste de l'élément mobile.

Description

INSERT ROTATIF POUR TUBE D'ECHANGEUR DE CHALEUR
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des inserts pour échangeurs de chaleur tubulaires utilisés pour améliorer l'efficacité de transfert thermique et/ou réduire l'encrassement des tubes d'échangeurs de chaleur d'unités industrielles, par exemple des unités mises en oeuvre dans les domaines du raffinage du pétrole, de la pétrochimie ou de la chimie en général. En particulier, la présente invention porte sur un insert pour échangeur de chaleur tubulaire comportant un élément mobile rotatif en forme de ressort comportant un pas plus resserré en entrée du tube.
Technique antérieure
Les technologies d'inserts pour échangeurs de chaleur sont utilisées pour améliorer l'efficacité de transfert thermique et réduire l'encrassement des tubes d'échangeurs de chaleur industriels.
Dans de nombreux domaines, comme ceux du raffinage du pétrole, de la pétrochimie ou encore dans d'autres domaines de la chimie, de l'agroalimentaire ou encore de l'énergie, les industriels sont en effet concernés par l'optimisation du transfert thermique dans les échangeurs de chaleur utilisés, mais également confrontés au problème de dépôts dans lesdits échangeurs, pouvant provenir d'impuretés présentes dans les flux liquides issus de divers procédés qui passant par les échangeurs de chaleur, et/ou provenir de la décomposition ou de la formation de produits organiques du type polymères ou hydrocarbures et de produits minéraux dans lesdits flux liquides.
Il peut s'agir d'impuretés en suspension s'accumulant, de dépôts de sels minéraux dissous dans les flux liquides, de coke en formation ou d'espèces soufrées solubles dans des flux d'hydrocarbures. Ces dépôts peuvent être générés par des températures excessives du fluide, ou encore être issus de phénomènes de corrosion. Ces dépôts, qui s'accumulent progressivement sur les parois des tubes des échangeurs de chaleur dans le temps, nuisent aux performances des échangeurs de chaleur qui perdent ainsi en efficacité au cours du temps.
Les dépôts forment une substance solide à faible conductivité thermique qui a pour effet d'isoler les parois et de diminuer les transferts thermiques dans l'échangeur, dommageable in fine pour le rendement énergétique de l'unité industrielle de traitement ou de fabrication considérée mettant en oeuvre l'échangeur de chaleur.
Une autre conséquence de la formation de ces dépôts sur les parois internes des tubes d'échangeurs peut être la provocation de débits réduits préjudiciables au bon fonctionnement du procédé situé en aval et/ou des points chauds sur la surface interne du tube. Ces restrictions et/ou points chauds peuvent entraîner une détérioration de la structure du tube et provoquer ainsi des fuites de produits qui peuvent être dangereuses pour l'exploitant et/ou le matériel.
L'utilisation d'inserts dans les échangeurs de chaleur vise ainsi à améliorer les transferts thermiques, notamment car les inserts favorisent la turbulence qui engendre la réduction de couche limite thermique, ce qui diminue la résistance au transfert thermique et améliore donc l'efficacité de transfert thermique, et à prévenir l'encrassement des échangeurs de chaleur.
Ils constituent une solution très intéressante et prometteuse pour accompagner la réduction de la consommation énergétique et par conséquent les émissions de CO2 de procédés industriels mettant en oeuvre des échangeurs de chaleur, comme cela peut être le cas dans tous les domaines cités ci- dessus.
Dans le domaine du raffinage du pétrole par exemple, il existe de nombreuses unités mettant en oeuvre des échangeurs de chaleur, notamment susceptibles de s'encrasser. Le raffinage d'un pétrole brut comportant une préchauffe dudit pétrole brut par le résidu atmosphérique sortant chaud d'une unité de distillation atmosphérique en est un exemple. De nombreux pétroles bruts dits lourds sont très riches en composés de nature asphalténique qui peuvent former des sédiments, mais également en soufre et autres composés corrosifs et sujets à former des dépôts sur les parois internes des tubes d'échangeurs dans desquels ils circulent.
Il existe dans l'industrie de nombreuses formes d'inserts différentes, tels qu'un enroulement d'un fil métallique, une bande torsadée, un arbre central avec pales, lesdits inserts pouvant comporter des parties mobiles et/ou statiques, et pouvant être fixés ou non au tube, et le cas échant de différentes manières, par exemple sur une seule extrémité ou à deux extrémités du tube. Il peut classiquement être distingué deux types d'inserts pour échangeurs de chaleur tubulaires : des inserts statiques et des inserts rotatifs entraînés par l'écoulement du liquide traversant le tube. Les deux types d'inserts permettent de promouvoir le transfert de chaleur et de réduire l'encrassement. Cependant, l'insert rotatif présente généralement de meilleures performances à la fois sur le plan de la réduction de l'encrassement grâce à un effet mécanique lié à la rotation de l'insert, mais aussi sur le plan des pertes de charge qui est un facteur à prendre en compte pour la performance de l'insert. En effet, la présence de l'insert qui occupe une partie du tube augmente la résistance à l'écoulement du fluide dans le tube, qui peut poser un problème si cette résistance est trop importante. Typiquement, une perte de charge trop importante affecte la capacité et la consommation des pompes et turbines qui font circuler le(s) fluide(s) et qui vont compenser la perte de charge. Ainsi, il est généralement souhaité une perte de charge minimale, c'est-à-dire qui soit limitée par rapport à la perte de charge d'un tube sans insert, afin de ne pas nuire aux performances de l'échangeur de chaleur en matière d'énergie, voire afin de ne pas avoir à changer les équipements de circulation de fluide(s) en amont de l'échangeur. Un insert de type rotatif induit en général moins de perte de charge qu'un insert fixe, par exemple jusqu'à 40% de moins de perte de charge.
Un exemple d'un insert rotatif pour tube d'échangeur de chaleur est par exemple décrit dans le brevet FR2569829. L'insert comporte un enroulement métallique de forme solénoïde indéformable qui est mis en rotation par le fluide circulant dans le tube, l'inserts rigide étant configuré de manière à permettre la libre rotation de l'enroulement mobile sur lui-même autour de l'axe du tube. Le pas de l'enroulement métallique peut être fixe ou variable.
La figure 1 illustre un insert rotatif de ce type, comportant un enroulement métallique hélicoïdal rigide comportant une pluralité de spires, de longueur L, de diamètre D, de pas p, d'angle d'inclinaison alpha (a) défini par rapport à l'axe central de l'enroulement confondu avec l'axe X du tube d'échangeur dans lequel l'insert est monté, la tige métallique formant l'enroulement ayant une épaisseur e. L'enroulement métallique comporte une extrémité libre et une extrémité munie d'un anneau passant dans le crochet d'un tourillon rotatif pris dans l'orifice d'un palier et permettant la libre rotation de l'insert sur lui-même autour de l'axe du tube d'échangeur. Le palier est composé d'une partie sous la forme d'étrier dont l'extrémité est sous la forme de deux branches permettant la fixation au conduit du tube (tube non représenté), et une partie centrale composée d'un orifice pour le maintien du tourillon. A son extrémité opposée au crochet, le tourillon comporte une tête sous la forme de rondelle apte à le maintenir prisonnier du palier.
Un problème souvent rencontré dans le cadre de l'utilisation d'inserts rotatifs est celui d'un manque de flexibilité quant à la plage d'opération possible en matière de vitesse d'écoulement du fluide envoyé dans le tube : leur fonctionnement est généralement optimal uniquement sur une plage d'opération restreinte. En effet, l'effet mécanique assuré par la rotation de l'insert décroit rapidement lorsque la vitesse d'écoulement est faible, typiquement inférieure à lm/s environ, ce qui engendre une plus faible efficacité de l'insert en matière de réduction de l'encrassement (et donc de transfert de chaleur) et une plus forte perte de charge.
Ce manque de flexibilité est donc pénalisant pour adresser une palette large de fluides circulants dans les échangeurs thermiques, et spécialement des fluides à faible vitesse d'écoulement comme certaines charges lourdes d'hydrocarbures pouvant par exemple être particulièrement visqueuses sous des conditions de température et pression données, ou en cas de fluctuation du débit ou de la viscosité du fluide circulant, lié à des changement de nature/ composition des fluides circulant ou de conditions opératoires conduire à un ralentissement du fluide circulant.
Objectifs et Résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de surmonter au moins en partie les problèmes de l'art antérieur décrits ci-dessus, et vise en particulier à améliorer la flexibilité de fonctionnement d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire de type rotatif, notamment à fournir un insert qui puisse être opéré à faibles vitesses d'écoulement du fluide dans le tube, typiquement à des vitesses d'écoulement inférieures à 1 m/s, pour assurer un effet mécanique par sa mise en rotation à ces faibles vitesses d'écoulement. Il est ainsi proposé de fournir un insert rotatif dont le seuil de mise en rotation est faible, pouvant ainsi fonctionner à de faibles vitesses d'écoulement du fluide dans le tube.
De manière générale, la présente invention vise à fournir un dispositif de réduction de l'encrassement et/ou d'amélioration des échanges thermiques pour tubes d'échangeurs de chaleur qui soit robuste (risque de casse minimisé), qui limite les pertes de charge tout en pouvant être utilisé à faibles vitesses d'écoulement du fluide dans le tube.
Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un insert pour tube d'échangeur de chaleur, l'insert comprenant un élément mobile en rotation comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comprenant plusieurs spires, ledit élément comportant : une première extrémité solidaire d'une liaison mécanique d'un système de fixation dudit élément au tube, la liaison mécanique permettant la libre rotation de l'élément sur lui-même autour de l'axe (X) du tube sous l'action d'un fluide traversant le tube, une deuxième extrémité libre, et l'enroulement hélicoïdal rigide étant constitué par une première section de longueur L1 prenant origine à la première extrémité et une deuxième section de longueur L2 dans le prolongement de la première section, le premier pas pl des spires de la première section étant plus petit que le deuxième pas p2 des spires de la deuxième section.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le pas pl est compris entre 5 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 15 mm.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le pas p2 est compris entre 10 mm et 60 mm, de préférence entre 20 mm et 40 mm, étant entendu que p2 > pl.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, la longueur L1 est comprise entre 100 mm et 3000 mm, de préférence entre 200 mm et 1000 mm.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'insert a une longueur totale comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale Lt du tube de l'échangeur de chaleur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'insert est inséré dans un tube de longueur totale Lt comprise entre 500 mm et 15 000 mm de préférence comprise entre 1000 mm et 6000 mm.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'enroulement hélicoïdal rigide a une section circulaire ou carrée, de préférence circulaire. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre el de la tige de l'enroulement de la première section et le diamètre e2 de la tige de l'enroulement de la deuxième section sont compris entre 0,5 mm et 5 mm, de préférence entre 1 mm et 3mm.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre el de la tige de l'enroulement de la première section et le diamètre e2 de la tige de l'enroulement de la deuxième section sont identiques.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre des spires de l'enroulement D est compris entre 80% et 99% du diamètre interne du tube de l'échangeur Dt, de préférence compris entre 85% et 95%.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, la tige de l'enroulement hélicoïdal rigide est métallique.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes traversés par un fluide, ledit échangeur de chaleur comprenant un insert selon l'invention, fixé à l'extrémité amont d'au moins un desdits tubes.
Selon un troisième aspect, la présente invention concerne l'utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire selon l'invention pour la préchauffe d'un pétrole brut dans un procédé de distillation atmosphérique dudit pétrole brut, ou pour la préchauffe d'une charge hydrocarbonée dans un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement de ladite charge hydrocarbonée, ou pour l'évaporation ou la condensation d'un fluide dans une centrale nucléaire.
L'insert pour échangeur de chaleur tubulaire selon l'invention est très avantageusement utilisé pour la préchauffe d'un pétrole brut dans un procédé de distillation atmosphérique dudit pétrole brut.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisations particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1, déjà décrite plus haut, représente un insert et son mode de fixation au tube d'échangeur de chaleur selon l'art antérieur.
La figure 2 est une vue schématique tridimensionnelle (3D) d'un mode de réalisation de l'insert selon l'invention.
La figure 3 représente le même mode de réalisation que celui illustré à la figure 2, faisant en outre apparaitre une portion d'un tube d'échangeur de chaleur et un système de fixation de l'insert au tube. La figure 4 représente une vue arrière d'une portion de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur selon le même mode de réalisation que celui illustré aux figures 2 et 3.
La figure 5 est un diagramme de la vitesse de rotation VR (RPM) de l'insert en fonction de la vitesse de fluide VF normalisée (VF/VFref) d'un exemple d'insert selon l'art antérieur et d'un exemple d'insert selon l'invention.
La figure 6 est un diagramme de la perte de charge normalisée (APi/APtv) en fonction de la vitesse de fluide VF normalisée (VF/VFref) générée par les inserts testés dans les exemples.
La figure 7 est une vue schématique tridimensionnelle (3D) d'un insert non conforme à l'invention.
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Description des modes de réalisation
Dans la présente description, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « comporter », « inclure » et « contenir », étant ainsi inclusif ou ouvert, et n'excluant pas d'autres éléments qui ne seraient pas mentionnés. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ».
Dans la présente description, l'expression « compris entre ... et ... » signifie que les valeurs limites de l'intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite, sauf spécifié autrement.
En outre, dans la présente description, les termes « essentiellement » ou « sensiblement » ou « environ » en rapport à une valeur de référence correspondent à une approximation de ± 10%, ± 5%, préférablement de ±1%, très préférablement de ± 0,5%. Il peut s'agir d'une valeur de température, pression, distance, vitesse, débit, teneur en composé(s), etc.
Dans la présente description, les différentes plages de paramètres caractérisant un dispositif donné, ou relative à une étape d'un procédé mettant en oeuvre ledit dispositif, telles que les plages relatives à des dimensions (longueurs, diamètres, etc.), des angles, des plages de pressions ou de températures, peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage préférée de valeurs de pression peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs de température.
Selon la présente invention, les pressions sont des pressions absolues, encore notées abs., et sont données en MPa absolus (ou MPa abs.), sauf indication contraire.
Dans la présente description, quand elles sont mentionnées, les positions « avant », « arrière », « horizontal », « vertical », etc. des différents éléments de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur sont définies par rapport à un échangeur de chaleur tubulaire en position de fonctionnement et par rapport au sens de circulation du fluide traversant le tube d'échangeur de chaleur. Dans la présente description, on entend par vitesse d'écoulement du fluide dans le tube, la vitesse superficielle du fluide qui s'écoule dans le tube V_SF, communément admise comme étant le rapport entre le débit volumique du fluide Q. et la section interne de tube S: V_SF = Q/S. Il en va de même pour la vitesse seuil de mise en rotation d'un insert, qui est une vitesse superficielle, plus précisément une valeur spécifique de V_SF propre à l'insert utilisé.
Dans la présente description, on entend par « rigide » en référence à l'enroulement hélicoïdal d'une tige, de préférence métallique, un enroulement qui ne se déforme pas ou quasiment pas de manière irréversible sous l'action du fluide qui met le mobile comportant ledit enroulement en rotation, dans les conditions normales de marche des tubes d'échangeur de chaleur. En particulier, ledit enroulement n'est pas ou quasiment pas déformé de manière irréversible lorsque le fluide circulant présente des variations de vitesse, de viscosité et/ou de température.
Dans la présente description, on entend par échangeur de chaleur à tubes ou échangeur de chaleur tubulaire, un échangeur de chaleur comportant au moins un tube à l'intérieur duquel circule un fluide communément appelé « fluide côté tubes » échangeant de la chaleur avec un fluide circulant à l'extérieur dudit tube. Les échangeurs de chaleur visés dans la présente invention sont classiquement les échangeurs de chaleur dits à tubes et calandre, à tubes droits (rectilignes), dans lesquels le fluide côté tubes circule à l'intérieur d'un ensemble de tubes parallèles appelé faisceau tubulaire. Ces tubes sont enfermés dans une enveloppe appelée calandre. L'autre fluide appelé « fluide côté calandre » circule à l'intérieur de la calandre mais à l'extérieur des tubes. L'écoulement des fluides coté tubes et coté calandre peut être à co-courant et/ou contre-courant. Les tubes sont souvent de grande longueur, typiquement jusqu'à 6 m, et de faible diamètre pour optimiser le rapport surface/volume. Ils sont généralement pris à leurs extrémités dans les plaques perforées appelée plaques tubulaires servant au maintien desdits tubes mais aussi à la séparation des fluides, et peuvent être supportés entre les plaques tubulaires par des plaques de support intermédiaires (plaques perforées transversales aux tubes). Les tubes peuvent également avoir une forme en U, et leurs extrémités être par exemple solidaires d'une même et unique plaque tubulaire. . Les échangeurs de chaleur à tubes et calandre peuvent être en une passe ou en plusieurs passes, par exemple en deux passes (le fluide côté tube traverse les tubes dans une direction, puis revient dans une direction opposée grâce à une configuration interne (comme une cloison dans un plénum, ou par le biais d'une configuration de tubes en « U »)).
Dans la présente description, on entend par le pas d'un enroulement hélicoïdal comportant plusieurs spires la définition communément admise, qui est la distance mesurée entre les centres de deux spires. Selon une représentation bidimensionnelle, il s'agit de la distance entre deux crêtes du même côté de l'axe de l'enroulement, et selon une représentation 3D, il s'agit de la longueur (distance) entre deux tours selon l'axe de révolution de la spire (ou encore distance parcourue selon l'axe de révolution de spire pour faire un tour complet).
Des modes de réalisation de l'insert, son utilisation dans un échangeur de chaleur et leurs applications sont décrits ci-après en détail. De nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de l'invention. Cependant, il apparaîtra à l'homme du métier que l'insert, l'échangeur de chaleur intégrant un tel insert et leur utilisation peuvent être mis en oeuvre sans nécessairement tous ces détails spécifiques. Dans d'autres cas, des caractéristiques bien connues n'ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans la présente description, les différents modes de réalisation présentés peuvent être mis en oeuvre séparément ou en combinaison les uns avec les autres, sans limitation de combinaisons lorsque cela est techniquement réalisable.
La présente l'invention propose un insert pour tube d'échangeur de chaleur.
En référence aux figures 2 à 4, qui représentent un mode de réalisation de l'insert selon l'invention, ledit insert comprend un élément mobile en rotation 1 formé par un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comportant plusieurs spires. L'élément mobile en rotation 1 comporte une première extrémité solidaire d'une liaison mécanique 22 d'un système de fixation 20 de l'élément 1 au tube 10 de l'échangeur de chaleur, la liaison mécanique 22 permettant la libre rotation de l'élément 1 sur lui-même autour de l'axe X dudit tube 10 sous l'action d'un fluide traversant le tube (tube cylindrique d'axe X). La deuxième extrémité de l'élément mobile en rotation 1, opposée à la première extrémité, est libre. Selon l'invention, l'enroulement est constitué par une première section SI de longueur L1 prenant origine à la première extrémité de l'élément 1 et une deuxième section S2 de longueur L2 dans le prolongement de la première section SI, le premier pas pl des spires de la première section SI étant plus petit (strictement inférieur) que le deuxième pas p2 des spires de la deuxième section S2.
Avantageusement, lorsque l'insert selon l'invention est utilisé dans un tube d'échangeur, l'élément mobile est mis en rotation par le fluide circulant, ce qui a pour effet d'augmenter la turbulence du fluide circulant, d'améliorer les échanges thermiques, d'homogénéiser la température du fluide circulant sur toute la section du tube, donc d'éviter la création de points chauds sur la paroi du tube et par conséquent de diminuer considérablement les risques de formation de dépôts solides et améliorer les transferts thermiques qui sont classiquement pénalisés par ce type de dépôts. L'insert en rotation permet aussi de racler les éventuels dépôts formés en paroi, et ainsi réduire l'encrassement. Indépendamment de la réduction des dépôts, les transferts thermiques sont améliorés du fait de l'augmentation de la turbulence du fluide circulant provoquée par la rotation de l'insert, ce qui améliore le transfert thermique convectif. En effet, la simple présence de l'insert, et d'autant plus sa rotation, permettent de créer de la turbulence qui conduit à l'augmentation de transfert thermique grâce à la réduction de l'épaisseur de le couche limite de transfert thermique et ainsi la résistance de transfert au voisinage de la paroi. Les performances en matière de transfert thermique des échangeurs de chaleur tubulaires intégrant de tels insert sont donc améliorées, tout comme la durée de vie des échangeurs de chaleur.
Le seuil de mise en rotation d'un insert correspond à la vitesse superficielle minimale du fluide circulant permettant la mise en rotation de l'élément mobile de l'insert. L'élément mobile, tournant dans le sens inverse de l'enroulement hélicoïdal du ressort, avec une vitesse qui dépend de son poids, de ses caractéristiques géométriques, du débit, de la viscosité et de la densité du fluide circulant, a donc un seuil de mise en rotation qui lui est propre.
Dans le cadre de la présente invention, l'insert selon l'invention a la capacité d'avoir un seuil de mise en rotation bas par rapport aux inserts existants de type à enroulement hélicoïdal rigide.
De manière surprenante, les inventeurs ont mis en évidence que la présence d'une section initiale à pas resserré par rapport au reste de l'enroulement de l'élément mobile de l'insert, en particulier selon les spécificités décrites ci-après, permet de réduire le seuil de mise en rotation de l'insert, assurant ainsi un effet mécanique dans des plages à faible vitesse d'écoulement (typiquement inférieur à 1 m/s) du fluide dans le tube d'échangeur de chaleur, ce qui améliore la flexibilité d'utilisation de ce type d'insert.
De préférence, le pas pl de la première section SI est compris entre 5 mm et 20 mm, de préférence est compris entre 5 mm et 15 mm, et plus préférentiellement compris entre 7 mm et 12 mm.
De préférence, le pas p2 de la deuxième section S2 est compris entre 10 mm et 60 mm, de préférence est compris entre 20 mm et 40 mm, étant entendu que p2 > pl.
Avantageusement, le ratio entre le pas pl et le pas p2 est compris entre 0,1 et 0,7, de préférence entre 0,20 et 0,45. Le pas peut être défini de manière générale en fonction de l'angle d'inclinaison des spires et du diamètre des spires de l'enroulement hélicoïdal rigide D, selon la relation suivante : pas = (it x D)/tana.
L'angle d'inclinaison des spires a est défini par rapport à l'axe de l'enroulement confondu avec l'axe X du tube d'échangeur dans lequel l'insert est monté. Il est fait référence à l'angle ai pour l'angle d'inclinaison des spires de la première section de l'enroulement, et à l'angle a2 pour l'angle d'inclinaison des spires de la deuxième section de l'enroulement, comme représenté sur la figure 2.
Avantageusement, le seuil de mise en rotation d'un insert selon l'invention est inférieur à 1 m/s, de préférence compris entre 0,1 m/s et 0,9 m/s. Par exemple, le seuil de mise en rotation d'un insert selon l'invention est compris entre 0,5 m/s et 0,9 m/s. Avantageusement, la longueur L1 de la première section SI est comprise entre 100 mm et 3000 mm, de préférence entre 200 mm et 1000 mm.
La première section SI et la deuxième section S2 sont solidaires, et peuvent former une seule pièce ou être deux pièces distinctes raccordées de manière à être solidaires par des moyens d'assemblage comme un ensemble crochet-rondelle ou tout autre moyen d'assemblage.
La longueur totale de l'insert est essentiellement constituée par la longueur totale de l'enroulement hélicoïdal rigide qui est la somme des longueurs L1 et L2 des première et deuxième sections.
La longueur L2 de la deuxième section S2 peut donc être définie comme la longueur totale de l'insert, liée à la longueur du tube de l'échangeur, à laquelle il est soustrait la longueur L1 de la première section. Par exemple, si la longueur totale de l'insert est égale à celle du tube et est de 6 000 mm, la longueur L2 est environ comprise entre 5 900 mm et 4 000 mm, et préférentiellement environ entre 5 800 mm et 4 000 mm.
La longueur totale de l'insert est inférieure ou égale à la longueur totale du tube 10 de l'échangeur de chaleur, et de préférence comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale du tube 10 de l'échangeur de chaleur : la longueur totale de l'insert est de préférence comprise entre Lt/2 et Lt, avec Lt la longueur du tube 10 de l'échangeur.
Le tube 10 de l'échangeur de chaleur peut avoir une longueur totale comprise entre 500 mm et 15000 mm, de préférence comprise entre 1000 mm et 6000 mm. Par exemple, les échangeurs de chaleur classiquement utilisés dans le domaine du raffinage du pétrole, par exemple dans le cadre de la préchauffe de pétrole brut dans une distillation atmosphérique, peuvent comprendre des tubes d'échangeur de chaleur allant de 1 mètre à 6 mètres. Dans le domaine du nucléaire, les échangeurs de chaleur de condenseurs de centrales nucléaires peuvent avoir des tubes jusqu'à 14 mètres de long.
L'enroulement hélicoïdal rigide a un diamètre D, qui correspond au diamètre des spires de l'enroulement. Le diamètre D est commun aux première et deuxième sections SI et S2 constituant l'enroulement hélicoïdal rigide.
Avantageusement, le diamètre D des spires de l'enroulement est supérieur ou égal à 80% du diamètre Dt du tube 10 de l'échangeur de chaleur, de préférence supérieur ou égale à 90 % du diamètre Dt, afin de générer une turbulence du fluide circulant optimale et de racler les dépôts sur la paroi de tube efficacement. De préférence, le diamètre D des spires de l'enroulement est compris entre 80% et 99% du diamètre Dt du tube 10 de l'échangeur de chaleur, plus préférentiellement entre 85% et 95% du diamètre Dt.
Le diamètre des tubes (diamètre interne Dt) peut être compris entre 10 mm et 100 mm, de préférence entre 10 mm et 50 mm. Avantageusement, il existe un espace « c » entre l'insert et la paroi interne du tube 10 de manière que l'enroulement hélicoïdal de l'élément mobile ne touche pas la paroi du tube, tel que référencé à la figure 4 représentant une vue arrière d'une portion (partie de la première section) de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur, afin de ne pas endommager la paroi du tube, par exemple créer des rayures qui pourraient former des irrégularités de surface pouvant favoriser des phénomènes de corrosion. Ledit espace « c » est de préférence compris entre 1 mm et 3 mm.
L'enroulement peut avoir une section prenant différentes formes, et a de préférence une section circulaire ou carrée, et plus préférentiellement a une section circulaire. Dans le cas d'une section carrée ou d'une autre forme, on entend par diamètre de la section un diamètre équivalent D_eq, défini comme suit : D_eq= 4*Aire_section/périmètre de section.
La tige, de préférence métallique, formant l'enroulement hélicoïdal rigide a un diamètre el au niveau de la première section SI, et a un diamètre e2 au niveau de la deuxième section S2.
Les diamètres el et e2 sont de préférence compris entre 0,5 mm et 5 mm, plus préférentiellement compris entre 1 mm et 3mm.
Les diamètres el et e2 peuvent être identiques ou différents. Des diamètres el et e2 identiques ont notamment pour avantage de simplifier la fabrication de l'insert.
Le sens de l'enroulement, qui peut être aussi défini comme le sens du pas des spires, peut être le sens des aiguilles d'une montre, ou le sens inverse des aiguilles d'une montre (par rapport au sens de l'écoulement du fluide dans le tube, représenté par une flèche le long de l'axe X dans les figures).
La première extrémité de l'élément mobile en rotation 1, solidaire de la liaison mécanique 22, peut comporter un anneau la ou tout autre moyen de solidarisation à la liaison mécanique 22.
Le matériau formant l'insert peut être en acier au carbone, en acier inox ou tout autre matériau de type métal ou alliage métallique comme Inconel®, permettant de conférer à l'insert la rigidité qu'il requiert, et de préférence résistant aux hautes températures et à la corrosion. Le matériau formant l'insert est préférentiellement moins dur que le matériau du conduit du tube d'échangeur de chaleur afin d'éviter la dégradation dudit tube.
Pour les fluides très corrosifs, le matériau formant l'insert peut être enrobé d'une couche d'un matériau protecteur, typiquement une couche en polymère.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau formant l'insert peut être un matériau polymère ou composite (métal ou alliage métallique avec un matériau polymère, ou différents types de polymères, ou encore un matériau composite combinant différents types de renforts, comme des fibres, des particules, etc., avec différentes matrices, comme une matrice polymères, métallique ou céramique). L'enroulement hélicoïdal rigide de l'élément mobile qui est mis en rotation libre est un élément robuste, i.e. dont le risque de cassure est faible.
Le système de fixation de l'insert au tube peut être un système de fixation traditionnel, par exemple tel que décrit dans les brevets FR2612267 et FR2639425. Le système de fixation est avantageusement disposé suivant l'axe X du tube d'échangeur de chaleur afin que l'élément mobile de l'insert puisse tourner autour dudit axe. Le système de fixation est typiquement positionné à l'entrée du tube, et l'élément mobile en rotation de l'insert est relié au système de fixation et positionné en aval dans le tube. Un exemple de système de fixation traditionnel 20 est représenté à la figure 3, et comporte un palier 23 et la liaison mécanique 22 typiquement formée par un tourillon rotatif. Ledit tourillon 22 est solidaire de l'élément mobile 1 de l'insert de manière que l'insert soit libre en rotation autour de l'axe X du tube 10. Le palier 23 est composé d'une partie 23a sous la forme d'étrier, typiquement un organe monobloc en un matériau rigide apte à se déformer élastiquement, dont l'extrémité est sous la forme de deux branches permettant la fixation au conduit du tube 10, et une partie centrale 23b composée d'un orifice pour le maintien du tourillon 22. Les deux branches de la partie en forme d'étrier 23a sont séparées par une distance telle que les branches puissent être engagées à force dans une extrémité ouverte du tube 10 pour prendre appui élastiquement contre la paroi interne du tube, de manière à rendre ladite partie 23a du palier 23 rigidement solidaire du tube 10. Le tourillon 22 est composé d'une tige cylindrique rectiligne engagée dans l'orifice de la partie centrale 23b du palier 23 et une extrémité en forme de crochet 21 pouvant être accroché à l'anneau la ou tout autre moyen de solidarisation que comprend la première extrémité de l'élément mobile 1. L'autre extrémité du tourillon 22 comporte une tête sous la forme de rondelle apte à le maintenir prisonnier du palier 23. Une rondelle anti-usure peut également être interposée entre le palier et la tête du tourillon.
Chaque insert comprend avantageusement son propre système de fixation au tube, bien qu'un système de fixation commun partagés entre les inserts des autres tubes d'échangeur de chaleur ne sortirait pas du cadre de la présente invention.
D'autres systèmes de fixation de l'insert au tube 10 peuvent être utilisés sans sortir du cadre de la présente invention.
La présente invention porte également sur un échangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes 10 traversés par un fluide, comprenant un insert selon l'invention, en particulier fixé à l'extrémité amont d'au moins un de ces tubes.
L'échangeur de chaleur selon l'invention est avantageusement un échangeur de chaleur à tubes et calandre tel que défini précédemment.
L'échangeur de chaleur peut être monophasique ou diphasique, c'est-à-dire que le fluide côté tubes peut comprendre une seule phase, par exemple liquide, ou deux phases, typiquement liquide et gaz. De préférence, l'échangeur de chaleur comportant au moins un insert selon l'invention est monophasique.
La longueur des tubes peut être comprise entre 500 mm et 15 000 mm, de préférence comprise entre 1000 mm et 6000 mm.
Le diamètre des tubes (diamètre interne Dt) peut être compris entre 5 mm et 100 mm, de préférence entre 10 mm et 80 mm, de préférence entre 10 mm et 50 mm.
L'échangeur de chaleur comprend de préférence une pluralité de tubes horizontaux (l'axe des tubes étant horizontal). Dans ce cas, l'insert est lui-même horizontal en position de fonctionnement. L'invention porte aussi des échangeurs de chaleur à tubes verticaux. Dans ce cas, l'insert est lui-même vertical en position de fonctionnement.
La présente invention porte également sur l'utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire.
En particulier, la présente invention porte sur l'utilisation d'un tel insert lors de la préchauffe d'un pétrole brut dans un procédé de distillation atmosphérique du pétrole brut. Dans le domaine du raffinage du pétrole, il est courant de réaliser une distillation atmosphérique d'un pétrole brut qui est préchauffé, avant son envoi à la colonne de distillation, dans des tubes d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur au contact du résidu atmosphérique chaud issu de la distillation atmosphérique.
La présente invention concerne ainsi l'utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire selon l'invention lors de la préchauffe d'un pétrole brut, en particulier un procédé de distillation atmosphérique mettant en oeuvre un ou plusieurs échangeurs de chaleur comportant une pluralité de tubes traversés par un pétrole brut, le ou lesdits échangeurs étant munis d'au moins un insert selon l'invention, en particulier fixé à l'extrémité amont d'au moins un desdits tubes. L'utilisation d'un tel insert dans ce cadre confère notamment une flexibilité de fonctionnement à faible comme à grand débit qui peut être lié à un régime transitoire ou un régime stable.
Les inserts pour échangeurs de chaleur selon l'invention peuvent être utilisés dans d'autres procédés industriels mettant en oeuvre des échangeurs de chaleur tubulaires et des fluides, notamment mais pas exclusivement des fluides susceptibles d'encrasser lesdits échangeurs, notamment dans le domaine du raffinage du pétrole ou de la pétrochimie, sans sortir du cadre de la présente invention.
La présente invention concerne ainsi par exemple l'utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire tel que décrit dans la présente description dans un procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion de charges hydrocarbonées, notamment de coupes pétrolières, typiquement pour la préchauffe d'une telle charge au moyen d'échangeurs dits « charge-effluent » intégrant au moins un insert selon l'invention, dans lesquels la charge est chauffée par un effluent issu de l'unité d'hydrotraitement ou d'hydroconversion.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire tel que décrit dans la présente description pour l'évaporation ou la condensation d'un fluide dans une centrale nucléaire. Les échangeurs de chaleur sont alors de type évaporateur ou condenseur, comme les rebouilleurs de colonne de distillation ou les condenseurs de centrales nucléaires.
Exemples
Les exemples ci-dessous sont basés sur la mise en oeuvre d'une maquette expérimentale dite « froide », et visent à montrer certains des avantages de l'insert pour échangeur de chaleur et son utilisation selon l'invention.
La maquette froide comprend un tube d'échangeur de chaleur en PVC transparent d'une longueur de 3 m et de 21 mm de diamètre (diamètre interne Dt), dans lequel on fait circuler de l'eau à température et pression ambiantes, sur une plage de vitesse superficielle dans le tube comprise entre 0,5 et 2 m/s.
3 exemples d'insert sont testés :
- exemple A : exemple d'insert selon l'art antérieur, tel qu'illustré à la figure 1, dans lequel l'enroulement hélicoïdal rigide est constitué d'une seule section de pas fixe p.
- exemple B : exemple d'insert selon l'invention, selon un mode de réalisation tel qu'illustré à la figure 2, dans lequel l'enroulement hélicoïdal rigide est constitué de deux sections successives SI et S2 de pas pl et p2 différents, avec pl inférieur à p2.
- exemple C : exemple d'insert non conforme à l'invention, tel qu'illustré à la figure 7, dans lequel l'enroulement hélicoïdal rigide est constitué de deux sections successives SI et S2 de pas pl et p2 différents, avec pl inférieur à p2, répétées deux fois (RI et R2).
L'enroulement hélicoïdal rigide de l'élément mobile des inserts selon les exemples A, B et C est en acier au carbone, et a une section circulaire. Le sens de l'enroulement est celui des aiguilles d'une montre, par rapport à la position de l'insert à l'entrée du tube.
Les principaux paramètres géométriques de l'enroulement hélicoïdal rigide de l'élément mobile des inserts selon les exemples A, B et C figurent dans le tableau 1 ci-dessous. Table 1
Dans le tableau 1 :
- D, L, p et e sont respectivement le diamètre, la longueur totale, le pas des spires et l'épaisseur de l'enroulement métallique hélicoïdal rigide de l'insert selon l'exemple A ;
- L1 et L2 sont respectivement les longueurs de la section SI et de la section S2 de l'enroulement métallique hélicoïdal rigide de l'insert selon l'exemple B. Ces longueurs L1 et L2 sont aussi celles des sections SI et S2 de chacune des deux répétitions de l'ensemble S1/S2 de l'enroulement métallique hélicoïdal rigide de l'insert selon l'exemple C.
(*) Ainsi, selon l'exemple C, l'enroulement hélicoïdal rigide a une longueur totale de 3 m se décomposant comme suit : 2 fois la longueur L1 (0,5 m) pour chaque section SI, soit 0 1 m, plus 2 fois la longueur L2 (1 m) de la section S2, soit 2 m ;
- pl et p2 sont respectivement les pas des sections SI et S2 de l'enroulement métallique hélicoïdal rigide de l'insert selon l'exemple B et selon l'exemple C.
- el et e2 sont respectivement les épaisseurs des sections SI et S2 de l'enroulement métallique hélicoïdal rigide de l'insert selon l'exemple B et selon l'exemple C.
Pour évaluer les performances de l'insert de chaque exemple, l'évolution de la vitesse de rotation de l'insert en tour par minute (tr/min) est tracée en fonction de la vitesse superficielle du liquide dans le tube, normalisée par la vitesse minimum du liquide de mise en rotation de l'insert selon l'exemple A pris comme référence.
Le diagramme à la figure 5 montre ainsi la vitesse de rotation VR (RPM ou tr/min) de l'insert selon l'exemple A (enroulement hélicoïdal rigide de l'élément mobile de l'insert «A ») et selon l'exemple B conforme à l'invention (enroulement hélicoïdal rigide de l'élément mobile de l'insert «B »), en fonction de la vitesse du liquide VF normalisée : VF/VFref, VFref étant la vitesse du liquide minimale de mise en rotation de l'insert selon l'exemple A.
Selon le diagramme de la figure 5, la vitesse de mise en rotation de l'insert selon l'exemple A est de 1 m/s, et celle d'un insert selon l'exemple B est inférieure à 1 m/s. Les résultats indiquent qu'un insert selon l'invention, tel qu'exemplifié à l'exemple B, permet de réduire le seuil de mise en rotation de l'insert de 20% (-20%), permettant ainsi des meilleures performances sur la réduction de l'encrassement, aux faibles vitesses du fluide, grâce à l'effet mécanique rotatif.
Les résultats de test de l'insert selon l'exemple C, qui comporte un enroulement hélicoïdal constitué de deux répétitions de l'enchainement d'une section SI suivie d'une section S2, montrent que l'ajout d'une section avec un pas de spire plus serré que l'autre section, de façon périodique, ne réduit pas la vitesse seuil de fluide de mise en rotation. Au contraire, l'utilisation de deux sections SI à pas resserré comparativement à la section S2 située dans le prolongement de la section SI, a un effet contre- productif : il n'y a pas de rotation l'insert même pour les vitesses les plus élevées. Le pas resserré sur deux sections périodiques SI provoque un phénomène de vibration plutôt qu'un mouvement de rotation. De plus, cette configuration cause une augmentation de perte de charge significativement plus importante, visible dans le diagramme de la figure 6 représentant la perte de charge normalisée, qui est le ratio entre la perte de charge de l'insert testé APi et la perte de charge du tube vide, APtv, générée par les inserts selon les exemples A, B, et C, en fonction de la vitesse de fluide VF normalisée (VF/VFref).

Claims

Revendications
1. Insert pour tube d'échangeur de chaleur, ledit insert comprenant un élément mobile en rotation (1) comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comprenant plusieurs spires, ledit élément comportant : une première extrémité solidaire d'une liaison mécanique (22) d'un système de fixation (20) dudit élément audit tube (10), ladite liaison mécanique permettant la libre rotation dudit élément (1) sur lui-même autour de l'axe (X) dudit tube (10) sous l'action d'un fluide traversant ledit tube (10), une deuxième extrémité libre, et ledit enroulement hélicoïdal rigide étant constitué par une première section (SI) de longueur L1 prenant origine à la première extrémité et une deuxième section (S2) de longueur L2 dans le prolongement de la première section (SI), le premier pas pl des spires de la première section (SI) étant plus petit que le deuxième pas p2 des spires de la deuxième section (S2).
2. Insert selon la revendication 1, dans lequel le pas pl est compris entre 5 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 15 mm.
3. Insert selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le pas p2 est compris entre 10 mm et 60 mm, de préférence entre 20 mm et 40 mm, étant entendu que p2 > pl.
4. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur L1 est comprise entre 100 mm et 3000 mm, de préférence entre 200 mm et 1000 mm.
5. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, de longueur totale comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale Lt du tube de l'échangeur de chaleur.
6. Insert selon la revendication 5, inséré dans un tube de longueur totale Lt comprise entre 500 mm et 15000 mm de préférence comprise entre 1000 mm et 6000 mm.
7. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enroulement hélicoïdal rigide a une section circulaire ou carrée, de préférence circulaire.
8. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre el de la tige de l'enroulement de la première section (SI) et le diamètre e2 de la tige de l'enroulement de la deuxième section (S2) sont compris entre 0,5 mm et 5 mm, de préférence entre 1 mm et 3mm.
9. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre el de la tige de l'enroulement de la première section (SI) et le diamètre e2 de la tige de l'enroulement de la deuxième section (S2) sont identiques.
10. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre des spires de l'enroulement D est compris entre 80% et 99% du diamètre interne du tube de l'échangeur Dt, de préférence compris entre 85% et 95%.
11. Insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tige de l'enroulement hélicoïdal rigide est métallique.
12. Echangeur de chaleur comprenant une pluralité de tubes (10) traversés par un fluide, comprenant un insert selon l'une quelconque des revendications précédentes, fixé à l'extrémité amont d'au moins un desdits tubes.
13. Utilisation d'un insert pour échangeur de chaleur tubulaire selon l'une des revendications 1 à 11 pour la préchauffe d'un pétrole brut dans un procédé de distillation atmosphérique dudit pétrole brut, ou pour la préchauffe d'une charge hydrocarbonée dans un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement de ladite charge hydrocarbonée, ou pour l'évaporation ou la condensation d'un fluide dans une centrale nucléaire.
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