Brevet FR2787564A1 — publié le 20000623

PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX TUBES D'ECHANGEURS THERMIQUES, EN VUE D'EVITER LE COLMATAGE DE LEUR ENTREE PAR DES MATERIAUX EN SUSPENSION. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux tubes d'échangeurs thermiques, afin d'éviter le colmatage des entrées de ces tubes par des matériaux en suspension dans le fluide destiné à circuler dans les tubes. On sait que des dépôts se produisent dans les tubes d'échangeurs thermiques à partir des fluides qui y circulent et qu'il est nécessaire de les nettoyer périodiquement, pour remédier à la baisse des performances qui résulte de cet encrassement, après des périodes d'utilisation de plusieurs mois. Un autre type de problème rencontré fréquemment avec les tubes d'échangeurs thermiques provient du bouchage de l'entrée des tubes par des matériaux en suspension dans le fluide de refroidissement, tels que des particules de coke et des agrégats divers, provenant ou résultant de leur passage dans les différentes canalisations du ou des dispositifs associés. On y trouve également des morceaux de bois, de matières plastiques souples ou rigides, et même des coquilles de mollusques, quand l'eau utilisée pour la réfrigération provient d'un bac à ciel ouvert, ou d'une source naturelle d'eau de réfrigération, telle qu'une rivière. Ces matériaux sont entraînés par les fluides et viennent se plaquer contre l'entrée des tubes des échangeurs, en les colmatant et en affectant sérieusement les opérations d'échange thermique. Ces inconvénients sont en particulier fréquents dans les réfrigérants à eau et dans les condenseurs à eau, dont les performances peuvent être considérablement réduites du fait du bouchage des tubes, pouvant conduire à l'arrêt de l'installation pour nettoyage. Pour remédier à ces inconvénients, il a déjà été proposé de disposer à l'entrée des tubes, en saillie à RE] [ u. t -T 2 2787564 l'extérieur de ceux-ci, divers systèmes de brides formant des cages destinées à retenir les matériaux véhiculés par le fluide (voir, notamment, US-A-5 509 467, EP-A-132 766, US-A-5 102 537, US-A-2 774 569, US-A-4 590 994, ainsi que US-A-1 172 938). La mise en oeuvre de ces dispositifs est cependant compliquée et coûteuse, car nécessitant, par exemple, des réalisations complexes, faisant appel à des assemblages préalables compliqués et délicats. En outre, ils ne provoquent qu'une turbulence insuffisante du fluide en amont de l'entrée des tubes, de sorte que les matériaux entraînés par ce fluide peuvent venir s'appliquer fermement contre ces dispositifs et provoquer leur colmatage. C'est à ce problème que s'intéresse la présente invention et elle vise à équiper l'entrée des tubes d'échangeurs thermiques d'un moyen simple et peu coûteux, apte non seulement à retenir les détritus entraînés par le fluide pénétrant dans ces tubes et à éviter qu'ils ne viennent s'appliquer contre l'entrée de ces tubes en les obturant, mais également à provoquer en amont de cette entrée des tubes une turbulence suffisante pour éviter un colmatage de l'entrée du tube, tout en assurant une homogénéisation de la température du fluide. A cet effet, l'invention a pour objet un tube d'échangeur thermique à section globalement circulaire, à l'entrée duquel est maintenu un élément rigide hélicoïdal, ce tube étant caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal fait saillie à l'extérieur du tube, à l'entrée de celui-ci, en vue de maintenir à l'écart de cette entrée les matériaux susceptibles de boucher l'entrée du tube, véhiculés par le fluide destiné à circuler dans ce tube. Cet élément rigide hélicoïdal a pour effet non seulement de s'opposer à l'entrée dans le tube des matériaux divers en suspension entraînés par le fluide, mais également de provoquer une turbulence notable de ce fluide à l'entrée du tube, en évitant ainsi que les matériaux véhiculés puissent colmater totalement l'entrée du tube. TV-"- rWT 3 2787564 Avantageusement, l'élément rigide hélicoïdal fait saillie en amont de l'entrée du tube suivant une distance comprise entre environ 1 et 10 fois le diamètre externe du tube associé et, de préférence, entre 2 et 8 fois ce diamètre. L'élément rigide hélicoïdal peut être maintenu en position à l'entrée du tube par tout moyen d'accrochage connu dans la technique, apte à le maintenir à l'intérieur ou à l'extérieur du tube suivant la technologie de l'échangeur. Dans le cas o l'élément rigide hélicoïdal comprend une partie engagée à l'intérieur du tube, un tel moyen d'accrochage peut être constitué, par exemple, de façon connue en soi, par un organe rigide de fixation à profil en U, dit "épingle" dans la technique, qui est disposé à l'extérieur du tube, avec les extrémités des branches du U rapprochées élastiquement l'une de l'autre et engagées dans l'entrée du tube, tandis que le fil enroulé hélicoïdalement est accroché à la base du U. Dans cette forme de mise en oeuvre de l'invention, le fil enroulé en hélice peut avoir des spires de diamètre plus petit que le diamètre interne du tube, mais ses spires peuvent également prendre appui contre la paroi interne du tube. Tout autre moyen de fixation peut également être utilisé, par exemple un système d'accrochage de l'élément rigide hélicoïdal à des ergots du tube, à l'intérieur ou à l'extérieur de celui-ci, ou encore une solidarisation par soudure d'une partie de l'élément hélicoïdal sur le tube. Avantageusement, toutefois, l'élément rigide hélicoïdal est rendu solidaire de l'extrémité du tube à l'entrée duquel il fait saillie vers l'extérieur sans l'aide d'aucun organe auxiliaire de fixation, en prenant fermement appui, par ses spires déformées élastiquement, contre la face interne du tube, comme décrit dans FR-A-2 611 879 dans une autre application, ou contre la face externe de ce tube. 4 2787564 FR-A-2 611 879 concerne, en effet, des tubes d'échangeur thermique, dans lesquels sont disposés en position fixe des obstacles destinés à provoquer des turbulences du fluide qui y circule, en vue d'améliorer les échanges thermiques entre ce fluide et la paroi du tube et de réduire les risques de dépôts de déchets solides sur la surface interne de cette paroi. Une façon simple de réaliser de tels obstacles, dits "promoteurs de turbulence" ou encore "perturbateurs de flux", décrite dans FR-A-2 611 879, consiste à disposer à l'intérieur de tubes à section circulaire, en position fixe au contact de leur paroi interne, un fil, par exemple métallique, enroulé hélicoïdalement. Pour maintenir en position dans le tube le fil enroulé en hélice, un moyen particulièrement simple consiste à utiliser un fil de profil hélicoïdal déformable élastiquement, dont le diamètre des spires est normalement supérieur au diamètre interne du tube, à étirer longitudinalement ce fil pour diminuer le diamètre de ses spires, afin de pouvoir l'introduire dans le tube, et, après l'avoir ainsi introduit, à le relâcher de manière que ses spires tendent à reprendre leur diamètre initial à l'intérieur du tube, en venant s'appliquer fermement contre la paroi interne de celui-ci, sans que le fil risque d'être déplacé par le fluide amené à circuler dans le tube. Dans une forme de réalisation avantageuse, l'invention propose donc d'adapter cette technique connue, en vue de l'obtention d'un résultat différent, en disposant de la même façon un fil enroulé hélicoïdalement à l'intérieur du tube d'échangeur thermique, au voisinage de l'entrée de ce tube, mais avec une partie en saillie à l'extérieur du tube, en vue de s'opposer au passage des matériaux véhiculés dans le fluide. La mise en place d'un fragment de fil enroulé en hélice à l'intérieur de l'extrémité du tube pourra cependant être réalisée soit de la manière décrite dans le document cité, soit par tout autre moyen équivalent. i Ui!il..l i 2787564 Dans une autre forme de mise en oeuvre de l'invention, dérivée de la précédente, l'élément rigide hélicoïdal peut, quand la forme de la plaque tubulaire de l'échangeur thermique, ou tout autre dispositif analogue, permet de disposer de tubes dont une partie extérieure de leur extrémité amont est utilisable, enserrer élastiquement cette extrémité du tube suivant une partie de sa longueur et faire saillie en amont de l'entrée du tube. Dans cette forme de réalisation, l'élément rigide hélicoïdal a avantageusement des spires de diamètre normalement inférieur au diamètre externe du tube et on le déforme élastiquement de manière à accroître le diamètre de certaines spires, afin de pouvoir y engager l'extrémité du tube suivant une partie de sa longueur, avant de relâcher ces spires pour qu'elles enserrent le tube. L'élément rigide hélicoïdal peut, dans toutes ces réalisations, être constitué par un simple fil rigide enroulé en hélice. Avantageusement, le rapport du pas de l'hélice au diamètre des spires est compris entre 0,1 et 5,0 et, de préférence, entre 0,5 et 3,0. L'élément rigide hélicoïdal peut éventuellement s'étendre suivant toute la longueur du tube. De manière préférée, le diamètre de la dernière spire de l'élément rigide hélicoïdal, située à l'extérieur du tube, est inférieur au diamètre des autres spires de cet élément. L'adjonction aux tubes d'échangeurs thermiques d'un organe hélicoïdal de retenue des matériaux en suspension du type mentionné ci-dessus représente un coût dérisoire par rapport à celui de l'échangeur et le démontage de ces organes, en vue de leur nettoyage, est une opération extrêmement simple. Dans toutes ses formes de mise en oeuvre, l'invention permet de prévenir de façon très efficace l'obturation des entrées des tubes d'échangeurs par des matériaux en suspension risquant de se plaquer contre ces entrées, et 6 2787564 l'invention a par conséquent également pour objet les échangeurs thermiques, notamment les réfrigérants et condenseurs à eau, comportant au moins un tube du type défini ci-dessus. Les dessins schématiques annexés illustrent les trois formes de mise en oeuvre de l'invention qui viennent d'être mentionnées, mais ne sont bien sûr pas limitatifs des utilisations de l'invention. Sur ces dessins: La figure 1 est une coupe schématique d'une boîte d'alimentation en eau, chargée de matériaux en suspension, de tubes constituant un échangeur thermique, équipés d'un fil enroulé en hélice, qui est engagé dans le tube et fait saillie vers l'extérieur à l'entrée de celui-ci; La figure 2 est une vue d'un fil enroulé en hélice et accroché à une épingle constituée d'un fil métallique recourbé en U et engagée dans un tube d'échangeur, à l'extérieur duquel le fil fait saillie; La figure 3 est une vue schématique illustrant une autre forme de réalisation de l'invention, dans laquelle un fil enroulé en hélice, qui enserre la partie externe d'extrémité amont d'un tube, fait saillie à l'extérieur de celui-ci. On se référera d'abord à la figure 1, qui représente une boîte 1 d'alimentation en eau de tubes 2 à section circulaire d'un échangeur thermique, cette boîte étant elle-même alimentée en eau par un conduit 3. Conformément à l'invention, lorsque l'eau est chargée de matériaux en suspension divers 4, qui risquent de venir se plaquer contre l'entrée des tubes 2 en compromettant l'alimentation en eau de ces tubes, on remédie à cet inconvénient en engageant dans les tubes 2, à l'entrée au moins de ceux-ci, un fil 5, par exemple métallique, enroulé en hélice, qui fait saillie à l'extérieur du tube dans la boîte 1 et qui maintient les matières en suspension 4 à l'écart de l'entrée du tube. Comme indiqué ci-dessus, la spire hélicoïdale formée par le fil 5 a de préférence un diamètre au repos supérieur 7 2787564 au diamètre intérieur du tube associé et est déformable élastiquement. Il est ainsi possible, de façon connue en soi, d'étirer longitudinalement le fil enroulé en hélice, pour réduire le diamètre des spires et pouvoir ainsi l'introduire partiellement dans le tube correspondant, en le relâchant ensuite pour que les spires tendent à reprendre leur forme initiale, en venant s'appliquer fermement contre la paroi interne du tube et en devenir ainsi solidaire. Le fil 5 enroulé hélicoïdalement, qui fait saillie en dehors du tube 2, peut n'occuper qu'une faible longueur de celui-ci, au voisinage de son entrée, ou s'étendre à l'intérieur de ce tube suivant une majeure partie de sa longueur, s'il sert en même temps de promoteur de turbulence. Dans la forme de réalisation de la figure 2, on retrouve un fil 6 enroulé en hélice, qui est logé à l'entrée d'un tube 7 d'échangeur thermique et fait saillie à l'extérieur de celui-ci. Ce fil n'est toutefois pas nécessairement plaqué contre la paroi interne du tube, mais est maintenu en position dans celui-ci par une épingle formée par un fil métallique recourbé en forme de U, dont les deux branches peuvent être rapprochées élastiquement l'une de l'autre pour être engagées dans le tube 7, tandis que la base du U, à laquelle est simplement accrochée une extrémité du fil 6 enroulé en hélice, fait saillie à l'extérieur du tube. La figure 3 illustre une autre forme de mise en oeuvre de l'invention, dans laquelle le fil 10 enroulé hélicoïdalement enserre l'extrémité amont du tube ll d'échangeur thermique et fait saillie en lOa au-delà de l'entrée de ce tube. Les spires hélicoïdale ont normalement un diamètre inférieur au diamètre externe du tube, comme on le voit par la partie 10a en saillie, et certaines d'entre elles ont été déformées élastiquement pour accroître leur diamètre, 8 2787564 de façon à pouvoir y engager l'extrémité du tube, pour être ensuite relâchées, afin d'enserrer le tube. Dans toutes ces formes de réalisation, les parties du fil 5 enroulé hélicoidalement qui font saillie à l'extérieur des tubes 2, à l'entrée de ceux-ci, maintiennent de façon très efficace à l'écart de ces entrées les matériaux divers en suspension que peut véhiculer le liquide appelé à alimenter ces tubes, tout en provoquant une forte turbulence de ce liquide. C'est ce qu'illustre l'Exemple comparatif qui va maintenant être décrit en détail. E. XEMPLE Dans cet Exemple, on se propose de comparer la circulation, sous des pressions déterminées, d'eau pure et d'eau chargée de matériaux en suspension, alimentant des tubes d'échangeur thermique, d'un type usuel ou conforme à l'invention. Ces tubes ont une longueur de 6 m et un diamètre interne de 15 mm. Deux variantes de tubes conformes à l'invention ont été réalisées en engageant dans les tubes ci-dessus: (1) Un fil métallique enroulé en hélice de manière à former un élément rigide hélicoïdal du type spire hélicoïdale, présentant au repos les caractéristiques suivantes: diamètre du fil: 1,5 mm, - pas des spires: 12 mm, - diamètre extérieur de l'hélice: 16 mm, - longueur de l'élément rigide hélicoïdal: 100 mm, dont 50 mm engagés dans les tubes à l'entrée de ceux- ci et mm faisant saillie à l'extérieur des tubes. (2) Un fil métallique enroulé en hélice de manière à former un élément rigide hélicoïdal de type spire hélicoïdale, dont une extrémité est accrochée à la base 9 2787564 d'une épingle en forme de U dont les branches sont engagées à force, en les déformant élastiquement, dans le tube à l'entrée de celui-ci. Le fil métallique enroulé en hélice présente au repos les caractéristiques suivantes: - diamètre du fil: 1,5 mm, - pas des spires: 12 mm, - diamètre extérieur de l'hélice: 14 mm, - longueur de l'élément rigide hélicoïdal: 100 mm, dont 50 mm engagé à l'intérieur des tubes et 50 mm en saillie à l'extérieur de ceux-ci. Les caractéristiques de l'épingle en forme de U sont au repos les suivantes: - diamètre du fil métallique dont elle est constituée: 2 mm, longueur des branches du U a partir de la base: mm, - écartement des branches du U: 20 mm, - longueur des branches engagée dans les tubes à partir de l'entrée de ceux-ci: 10 mm. On fait circuler dans ces tubes, sous une pression relative de 400.102 Pa (400 millibars) et 550.102 Pa (550 millibars) de l'eau pure et de l'eau additionnée de matériaux divers en suspension, qui sont les suivants (pour un volume d'un total d'eau de 2 m3): - 10 fragments de films de matière plastique sensiblement rectangulaires, dont les dimensions, en centimètres, sont comprises entre 4 à 5 x 10 à 15 - 13 morceaux de bois provenant d'un cageot à fruits, de dimensions (en centimètres): 4 à 5 x 2 x 0,15 - 10 moitiés de coquilles de moules. On relève les débits obtenus aux diverses pressions avec les tubes usuels et avec les tubes conformes à l'invention. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le Tableau suivant. -vi ix T T _ o 2787564 Tableau Pression (1) Deébit (m,'h) JT Tubes équipes I Tues équipés d'une spire d'une spire hélicoïdale Tubes usuels Tubes usuels hée!icodale conforme à conforme a I'invention et d'une l'invention épingle en forme de U Ea pope Eau + materes enm Eau - matières en Eau + matières en Eau propre suspension suspension suspension 400 10:Pa 13,0 (2) 10,2 12l1 12,1 550.10 Pa 15,1 (3) 11,3 13,9 14,2 (1) Les spires hélicoïdales conformes à l'invention et les épingles, isolément, ne créent aucune perte de charge. (2) Ce débit correspond à une vitesse de lm/s. (3) Ce débit correspond à une vitesse de 1,5 m/s. Ces résultats montrent que les tubes équipés conformément à l'invention d'un fil enroulé en hélice et faisant saillie à l'extérieur du tube, soit seul, soit en combinaison avec une épingle, retiennent de façon très efficace les matériaux divers transportés par l'eau qui les alimente. En effet, le débit de cette eau, sous deux pressions différentes, reste relativement proche du débit d'eau pure alimentant des tubes propres sous la même pression, alors que le débit des tubes alimentés en eau chargée de divers matériaux, en l'absence des moyens conformes à l'invention, chute considérablement. r - -I - -T-] r -F il 2787564 REVENDICATIONS 1. Tube d'échangeur thermique à section globalement circulaire, à l'entrée duquel est maintenu un élément rigide hélicoïdal, ce tube étant caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (5, 6, 10) fait saillie à l'extérieur du tube (2, 7, 11), à l'entrée de celui-ci, en vue de maintenir à l'écart de cette entrée les matériaux susceptibles de boucher l'entrée du tube, véhiculés par le fluide destiné à circuler dans ce tube. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (5, 6, 10) fait saillie en amont de l'entrée du tube suivant une distance comprise entre environ 1 et 10 fois le diamètre externe du tube associé et, de préférence, entre 2 et 8 fois ce diamètre. 3. Tube selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (5) est constitué de spires d'un diamètre normalement supérieur au diamètre intérieur du tube (2) associé, prenant appui fermement par élasticité contre la paroi interne de celui- ci. 4. Tube selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (6) est constitué de spires d'un diamètre équivalent ou légèrement inférieur à celui du diamètre intérieur du tube (7) associé, et est maintenu en position à l'entrée de celui-ci par un moyen de solidarisation. 5. Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de solidarisation de l'élément hélicoïdal (6) et du tube (7) associé, est constitué d'un organe rigide (8) de fixation à profil en U, dit "épingle" dans la technique, qui est disposé à l'extérieur du tube (7), avec les extrémités des branches en U rapprochées élastiquement l'une de l'autre et engagées dans l'entrée du tube, tandis que l'élément hélicoïdal (6) est accroché à la base du U. 6. Tube selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (10) 12 2787564 enserre élastiquement suivant une partie de sa longueur la partie externe de l'extrémité du tube (11) associé. 7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que les spires de l'élément rigide hélicoïdal (10) ont un diamètre normalement inférieur au diamètre externe du tube (11) associé, celles de ces spires qui enserrent le tube ayant été déformées élastiquement pour permettre d'y engager le tube. 8. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément hélicoïdal (5, 6, 10) est constitué d'un fil rigide enroulé de manière à former une hélice. 9. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du pas de l'hélice de l'élément rigide hélicoïdal (5, 6, 10) au diamètre des spires est compris entre 0,1 et 5 et, de préférence, entre 0,5 et 3,0. 10. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre de la dernière spire de l'élément rigide hélicoïdal, située à l'extérieur du tube, est inférieur au diamètre de l'hélice de cet élément. 11. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément rigide hélicoïdal (5, 6, 10) s'étend suivant toute la longueur du tube (2, 7, 11) associé. 12. Echangeur thermique comprenant au moins un tube selon l'une des revendications 1 à 11.