Brevet FR2795337A1 — publié le 20001229

Tube pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation de fluide, notamment de fluide alimentaire. La présente invention concerne un tube pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation de fluide, notamment de fluide alimentaire. Lors de l'évaporation d'un fluide alimentaire tel que liquide sucré ou lait, les échanges thermiques de part et d'autre du tube d'évaporateur sont très importants du fait des bilans énergétiques élevés utilisés dans ce domaine. De plus, lors de l'évaporation du fluide, il se forment des dépôts minéraux et ou organiques qu'il est nécessaire d'éliminer par des opérations répétées de nettoyage et de désinfection en particulier dans le domaine de la laiterie. Le coût des opérations de nettoyage est important du fait de la quantité d'eau et de produits de nettoyage nécessaire. Dans le cas d'une sucrerie, traitant la canne à sucre ou la betterave et malgré l'utilisation de produits chimiques anti-tartre, la production doit être stoppée pour procéder aux opérations de nettoyage des tubes d'échangeurs. Il est connu un procédé de fabrication d'un tube dit cannelé, dans lequel une bande métallique de base est ondulée, dans le sens de la largeur, entre deux paires de galets comportant des cannelures. La bande métallique ondulée est ensuite roulée, également dans le sens largeur, pour former un tube comportant un profil ondulé, en section. Le tube ainsi réalisé avec la bande ondulée a pour but d'augmenter la surface d'échange thermique pour un même diamètre nominal de tube. Dans cet exemple, la réalisation des ondulations imposent l'utilisation de bande de tôle relativement mince, de l'ordre de 0,5 mm, pour assurer une mise en forme des ondulations. De ce fait, le tube réalisé dans une tôle de faible épaisseur entraîne un risque de perforation lors d'une corrosion par piqûre du tube suite à des traitements successifs de décapage. L'ondulation a aussi la fonction de raidisseur, ce qui permet l'utilisation d'une tôle de base de faible épaisseur. Dans un autre exemple de réalisation, un des galets comporte une génératrice rectiligne parallèle à son axe de rotation et l'autre galet comporte des gorges destinées à former lesdites cannelures sur une face de la bande d'acier laminée. Le tube ainsi réalisé, à partir de la bande laminée ne comporte des rainures qu'extérieurement, lesdites rainures, ayant pour but, également dans ce cas, d'augmenter la surface d'échange thermique du tube pour un même diamètre nominal. Dans cet exemple, les cannelures formées, génèrent, localement, une diminution importante de l'épaisseur du tube dans le creux desdites cannelures et, dans le domaine technique considéré, entraîne un risque de perforation lors de corrosion par piqûre. Il est également connue une technique de rainurage par entaille en surface d'un tube. Dans ce cas, également, le rainurage entraîne une réduction relativement importante de l'épaisseur de la tôle du tube et des risques de perforation lors d'une corrosion par piqûre. Le but de l'invention est de proposer un tube en acier inoxydable soudé, utilisable dans des évaporateurs, notamment dans l'industrie sucrière et laitière, le tube présentant une qualité de surface interne améliorée et une structure de sa surface externe assurant une qualité d'échange thermique également améliorée. L'invention a pour objet un tube en acier inoxydable soudé pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation d'un fluide, notamment d'un fluide alimentaire qui se caractérise en ce qu'il comporte, sur sa surface externe d'échange thermique, majoritairement lisse, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations crées sur la surface lisse d'échange thermique. Les autres caractéristiques de l'invention sont: - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont répartis longitudinalement sur ledit tube et uniformément sur sa périphérie, - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de dénivelés sous la forme d'épaulements s'étendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués d'empreintes en creux réparties sur la longueur dudit tube, - les empreintes ont une profondeur inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm, - les empreintes ont une largeur comprise entre 0,2 et 1 mm, occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie dudit tube, - les empreintes ont une forme de cuvette arrondie, - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de redents, répartis en périphérie du tube et occupant moins de 50% de la périphérie dudit tube. - la surface interne du tube comporte une rugosité inférieure à 0,2 Nm, de type recuit brillant 2R. L'invention concerne également un procédé pour améliorer les échanges thermiques dans un échangeur thermique pour l'évaporation d'un fluide, notamment dans l'industrie alimentaire, l'échangeur comportant des tubes destinés à l'échange thermique caractérisé en ce que: - on réalise sur la surface lisse des tubes échangeurs, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations, moyens destinés à attirer, par capillarité, le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube ; - on draine par les moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations ledit film de liquide condensé. Une autre caractéristique de l'invention est - on réalise sur la surface lisse les tubes échangeurs au moins un dénivelé sous la forme d'épaulement détendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm, dénivelé définissant une empreinte longitudinale dont le bord attire par capillarité le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube. La description qui suit comprenant les figures annexées le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention. Les figures 1 et 2 présentent chacune, en coupe, un exemple de tube en acier inoxydable selon l'invention. Dans la mise en forme d'un tube en acier inoxydable pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation d'un fluide, notamment d'un fluide alimentaire, la ligne de mise en forme du tube, à partir d'une bande d'acier comporte, des moyens de roulage et de soudage bord à bord de la bande. Selon l'invention, la ligne comporte un ensemble mécanique comprenant un galet plat dit supérieur et un galet dit inférieur, le galet dit inférieur comportant des saillies équidistantes ou des rainures de faible hauteur ménageant, entre elles, des surfaces lisses, surfaces lisses occupant majoritairement la surface de la bande. Les deux galets sont adaptés à la largeur de la bande d'acier de départ, bande de départ dont la largeur correspond au périmètre moyen du tube à réaliser. Dans l'exemple de réalisation selon l'invention, l'ensemble mécanique est placé en tête d'une soudeuse par induction, laser ou TIG. On réalise avec l'ensemble mécanique, sur la bande d'acier inoxydable, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations constitués par exemple d'empreintes linéaires suffisamment espacées entre elles pour libérer une surface majoritairement lisse du tube. La figure 1 présente en coupe une partie de tube 1 selon l'invention. Les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués, dans cet exemple de réalisation de dénivelés 2 et 3 sous la forme d'épaulements détendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. Les dénivelés 2 et 3 définissent des empreintes 4 dont la profondeur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. On constate que la faiblesse de la profondeur de l'empreinte ne modifie pas de manière conséquente l'épaisseur globale de la tôle du tube. On peut concevoir la réalisation d'une empreinte plus profonde, mais cela ne présente que des inconvénients, notamment l'apparition, sur le tube, de zones de faible épaisseur. Les empreintes 4 de préférence réparties, longitudinalement sur le tube 1, uniformément sur sa périphérie, comportent de préférence, une largeur comprise entre 0,2 et 1 mm, occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie du tube 1. Dans l'exemple présenté sur la figure 1, les empreintes 4, en forme de cuvette arrondie, occupent environ 20 à 25% de la surface du tube. L'effet de capillarité, généré par le bord de l'empreinte 4 déplace le film de condensation de la vapeur qui se forme sur la surface 5 du tube, vers ladite empreinte 4. L'empreinte 4 se comporte comme une gouttière. D'autres moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations peuvent être envisagés comme par exemple la réalisation de redents 6 réparties sur la longueur du tube 1 comme présenté sur la figure 2. Les redents sont constitués par deux dénivelés 2 et 3 ayant une hauteur inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure à 0,2 mm, et une largeur occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie dudit tube. La surface interne du tube présente une rugosité inférieure à 0,2 pm, de type recuit brillant 2R, surface non perturbée par la réalisation des empreintes. Le tube est réalisé à partir d'une bande de tôle en acier inoxydable du type ferritique ou austénitique tels que AISI 439, 304, 304L, 316L bien que certains aciers semblent préférables à d'autres comme cela sera démontré par la suite. La réalisation de l'empreinte ne provoque, du fait des dimensions de celle ci, aucune zone d'écrouissage de l'acier de base, aucune augmentation de la dureté de l'acier. De plus l'empreinte ne modifie pratiquement pas l'épaisseur de la paroi du tube, contrairement aux tubes connus de l'art antérieur. Sous cette forme de réalisation, du fait de la faible perturbation générée par la réalisation de l'empreinte, il est possible de modifier l'aspect extérieur d'un tube cylindrique, pour augmenter de capacité d'échange thermique dudit tube, sans modifier de manière excessive l'état de surface de la partie interne du tube. Dans ces conditions, la partie interne du tube offre une surface limitant l'entartrage et facilitant les opérations de nettoyage, la partie externe dudit tube offrant une surface pratiquement lisse, cylindrique, et qui assure, du fait de l'existence des empreintes, une augmentation de l'échange thermique en drainant et en éliminant la condensation qui se forme en continu sur le tube dans sa fonction d'échangeur thermique. Dans le cadre d'une étude sur l'entartrage des tubes en contact avec du jus sucré, on constate que le dépôt est constitué principalement de CaC03. II a été mis en évidence un mécanisme comportant trois phases: - une amorce des dépôts de tartre, ce qui correspond à une augmentation du débit évaporatoire. Cette amorce dépend des propriétés de surface du tube tels que micro-rugosité; chimie de surface. On peut distinguer deux types d'amorces, l'une minérale du type MgO-CaCO3-Si Oz pour les surfaces du type 2B, 2D, décapées ou non, l'autre mixte du type CaC03 plus matières organiques, pour les surfaces du type 2R et électro-polies, - un équilibre entre les cinétiques d'entartrage et le décollement de couches. A ce stade, la composition de l'acier du tube est un paramètre important car les coefficients thermiques et de dilatation vont jouer sur cet équilibre. - une phase où l'entartrage prédomine sur le décollement des couches de tartre. Le tube selon l'invention a l'avantage de s'entartrer moins par rapport aux autres tubes testés. La réduction de l'entartrage est d'un facteur 2 à 3, ce qui augmente le débit évaporatoire de près de 25%. Du point de vue du nettoyage, on constate une différence de cinétique et par conséquent, les consommations d'eau nécessaires pour éliminer les dépôts importants de tartre peuvent être réduites de moitié. La nettoyabilité des tubes dépend à la fois de la chimie et de la topographie de la surface. En effet, selon la chimie de surface du tube, l'amorce des dépôts de tartre diffère et par conséquent, les ruptures engendrées par l'eau sous pression, dans le dépôt de tartre, sont plus ou moins faciles. La rugosité de la surface interne est un facteur important pour l'élimination du dépôt. Plus la rugosité moyenne de surface est faible, plus la surface sera nettoyable. Du fait de la faible déformation provoquée en surface extérieure, lors de la réalisation des empreintes, l'état de surface interne et peu ou pas modifié. Les mesures de consommations d'eau confirment bien les mécanismes régissant la nettoyabilité de surface, à savoir: les surfaces des tubes réalisés en acier inoxydable AISI 439 enrichi en oxyde de Si et présentant une rugosité moyenne Ra de 0,2 Nm seront entartrées par un dépôt de CaC03 associé à de la matière organique. Ce dépôt est plus friable et donc plus facilement éliminable qu'un dépôt complètement minéral qui se forme préférentiellement sur les surfaces d'un tube réalisé, par exemple en acier AISI 304 enrichi en oxyde de fer ou de chrome et présentant une rugosité moyenne Ra inférieure à 0,4 Nm. Par conséquent, les volumes d'eau nécessaires pour éliminer les dépôts sur les tubes en acier AISI 439 2R sont deux fois plus faibles que ceux mesurés pour éliminer les dépôts sur les tubes en acier AISI 304 décapés. II est ainsi mis en évidence, des caractéristiques supérieures d'un tube en acier de composition AISI 439 en comparaison avec un tube en acier de composition AISI 304. Le tube selon l'invention assure - un gain d'au moins 25% au niveau du bilan énergétique des enceintes d'évaporation, - une limitation des rejets liquides à retraiter, - une diminution des fréquences de nettoyage, notamment pour les sucreries de cannes à sucre n'utilisant pas de produit anti-tartre. - une diminution de l'entartrage. - un nettoyage plus facile et plus rapide. REVENDICATIONS 1. Tube en acier inoxydable soudé pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation d'un fluide, notamment d'un fluide alimentaire caractérisé en ce qu'il comporte, sur sa surface externe d'échange thermique, majoritairement lisse, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations crées sur la surface lisse d'échange thermique. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont répartis longitudinalement sur ledit tube et uniformément sur sa périphérie. 3. Tube selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de dénivelés sous la forme d'épaulements s'étendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. 4. Tube selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués d'empreintes en creux réparties sur la longueur dudit tube. 5. Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que les empreintes ont une largeur comprise entre 0,2 et 1 mm, occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie dudit tube. 6. Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que les empreintes ont une forme de cuvette arrondie. 7. Tube selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de redents, répartis en périphérie du tube et occupant moins de 50% de la périphérie dudit tube. 8. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa surface interne comporte une rugosité inférieure à 0,2 Nm, de type recuit brillant 2R. 9. Procédé pour améliorer les échanges thermiques dans un échangeur thermique pour l'évaporation d'un fluide, notamment dans l'industrie alimentaire, l'échangeur comportant des tubes destinés à l'échange thermique et comportant une surface externe lisse et uniforme, caractérisé en ce que - on réalise sur la surface lisse des tubes échangeurs, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations, moyens destinés à attirer, par capillarité, le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube, - on draine par les moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations ledit film de liquide condensé. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on réalise sur la surface lisse les tubes échangeurs au moins un dénivelé sous la forme d'épaulement détendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm, dénivelé définissant une empreinte longitudinale dont le bord attire par capillarité le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube.