Brevet FR2918167A1 — publié le 20090102

Procédé de nettoyage interne d'un échangeur de chaleur La présente invention se rapporte à un procédé de nettoyage interne pour des échangeurs de chaleur et notamment pour 5 les échangeurs de chaleur à haute pression. L'invention concerne également une installation de nettoyage pour la mise en oeuvre du procédé de nettoyage interne mentionné ci-dessus. Pour une protection plus efficace de l'environnement, la mise en oeuvre d'échangeurs de chaleur utilisant des fluides supercritiques tels que le dioxyde de carbone (CO2), est de plus en plus utilisée. 15 On entend par fluide supercritique, un fluide qui est chauffé au-delà de sa température critique ou qui est comprimé au-delà de sa pression critique. Les propriétés physico-chimiques d'un tel fluide sont intermédiaires entre 20 les propriétés des liquides et celles des gaz. Plus précisément, un fluide supercritique présente une viscosité proche de celle des gaz, une densité proche de celle des liquides, et une diffusivité élevée. 25 Les échangeurs de chaleur mentionnés ci-dessus opèrent à des pressions élevées d'au moins environ 100bar. Pour cette raison on désigne souvent ce type d'échangeur de chaleur, comme un échangeur de chaleur à haute pression. La pression élevée, comme indiqué plus haut, est nécessaire pour 30 permettre au système d'atteindre l'état supercritique du fluide réfrigérant. 10 L'utilisation du dioxyde de carbone (CO2), encore appelé gaz carbonique en tant que fluide réfrigérant présente un certain nombre d'avantages, notamment le fait que son état supercritique apparaît pour une pression et température relativement basse, à savoir environ 74bar et 31,1 C; Mais aussi le fait qu'il n'est pas toxique et naturellement présent dans l'atmosphère. EP1775539A2 est un exemple de document décrivant un 10 échangeur de chaleur à haute pression. Lors de la fabrication d'un échangeur de chaleur et notamment lors du brasage, du poinçonnage, de l'usinage et de l'extrusion, des impuretés indésirables sous forme de 15 particules solides et/ou liquides peuvent se retrouver à l'intérieur de l'échangeur. Ces particules peuvent être de nature métallique ou organique. Lors du fonctionnement de l'échangeur à haute pression, ces 20 particules peuvent, sous pression opérante élevée d'environ 100bar, endommager des composantes essentielles du système, tels que le compresseur par exemple. Traditionnellement, pour le nettoyage interne de 25 l'échangeur, on utilise des solvants organiques. Parmi ceux-ci on peut citer: les alcanes, les alcènes, les alcools, les alcynes halogénés ou encore l'éthylène glycol. L'utilisation de ces solvants présente cependant de 30 nombreux inconvénients. D'une part le traitement des déchets est coûteux et polluant. Et d'autre part, ces solvants induisent des nuisances auprès des opérateurs qui les mettent en œuvre (inhalation, risque d'explosion...). De plus, l'utilisation de solvants organiques ne permet pas d'atteindre un état d'ultrapropreté requis pour certains matériaux, et les équipements industriels doivent être adaptés à l'utilisation de ces solvants dont certains sont explosifs. En outre, lors d'une utilisation de tels solvants, pour le nettoyage d'échangeurs de chaleur à haute pression, une étape de rinçage doit être prévue afin d'éliminer tout résidu de solvant organique. Pour ces raisons et d'autres, la présente invention vient introduire un procédé de nettoyage interne pour échangeur de chaleur, utilisant un fluide dans son état liquide ou supercritique tel que le dioxyde de carbone (CO2). Dans l'état de la technique, des procédés de nettoyage respectueux de l'environnement utilisant des fluides liquides ou supercritiques et en particulier le nettoyage au dioxyde de carbone supercritique ont largement été étudiés. Les composantes à nettoyer sont diverses allant de simples pièces automobiles ou aéronautiques, jusqu'à des pièces complexes de systèmes optiques ou électroniques. Le nettoyage se fait généralement par simple trempage ou immersion dans le fluide supercritique ou encore par exposition des pièces à nettoyer à un jet du fluide sous pression. Le document US6558475 décrit un dispositif, pour un procédé de nettoyage, utilisant du dioxyde de carbone supercritique et un co-solvant tel que l'heptane, le benzène, l'acide acétique, le méthanol, l'éthanolamine, le diméthylsulfoxyde, le N,N-diméthylformamide etc. Le fluide est maintenu en une seule phase en ajustant la pression et la température. La pièce ou le substrat à nettoyer est placé(e) dans une chambre pressurisée et mis(e) en contact avec le fluide supercritique, pendant une durée suffisante pour nettoyer extérieurement le substrat. Le document WO0232593 vise un procédé, un dispositif et une installation pour le nettoyage de pièces contaminées par des impuretés, utilisant un fluide dense sous haute pression et en particulier du CO2. Les pièces à nettoyer sont placées dans des paniers distincts et à l'intérieur d'une chambre isolée sous pression. Les paniers sont actionnés de telle sorte à suivre un mouvement de rotation. Un jet de fluide à haute vitesse, en direction des pièces à nettoyer, placées dans les paniers rotatifs, élimine les impuretés. Un procédé de nettoyage utilisant un gaz liquéfié tel que le dioxyde de carbone, l'oxyde nitreux ou l'hexafluorure de soufre, est décrit dans le document EP0583653. La température du gaz liquéfié se trouve en dessous de la température critique. Les éléments à nettoyer sont exposés au fluide dans une chambre isolée, pendant une période de temps suffisante pour atteindre le niveau de propreté visé. Le fluide peut être recyclé et réutilisé après une étape de filtration éliminant les impuretés. Dans les procédés de nettoyage susmentionnés, les pièces et éléments à nettoyer sont exposés à un fluide dans son état liquide ou supercritique, qui les nettoie extérieurement. La présente invention vient améliorer la situation. Pour cela, l'invention vise un procédé de nettoyage interne d'un échangeur de chaleur dans lequel on utilise un fluide de nettoyage pour éliminer des particules indésirables solides et/ou liquides contenues dans l'échangeur de chaleur. Le fluide de nettoyage utilisé est un fluide qui se trouve à l'état gazeux dans les conditions normales de température et de pression, comme par exemple le CO2. On entend par conditions normales de température et de pression, respectivement une température d'environ 20 C-25 C et une pression atmosphérique. Pour le nettoyage, le fluide mentionné ci-dessus, circulera à l'intérieur d'un échangeur de chaleur, dans des conditions contrôlées de température et de pression pour que le fluide se trouve au moins en partie en phase liquide pour agir comme solvant à l'égard des particules à éliminer. Selon un mode de réalisation la circulation du fluide de nettoyage a lieu dans une boucle fermée comprenant l'échangeur de chaleur à nettoyer. La circulation se fait alors pendant une période de temps suffisante pour éliminer les particules indésirables solides et/ou liquides. La période de temps visée ci-avant sera d'au 10 minutes et généralement comprise entre 10 minutes et 60 minutes. Il peut être envisagé d'une part d'alimenter la boucle fermée de fluide de nettoyage et d'autre part de comprimer ce fluide au sein de la boucle fermée. Optionnellement, la boucle fermée peut être alimentée avec un co-solvant. De préférence, on utilisera du dioxyde de carbone (CO2) en tant que fluide de nettoyage. Avantageusement, le dioxyde de carbone circule à une pression supérieure à 100bar à l'intérieur de l'échangeur, et plus précisément à une pression comprise entre 120bar et la pression maximale acceptable d'environ 300bar. Par pression maximale acceptable on entend la pression au-delà de laquelle l'échangeur de chaleur encourt des risques d'éclatement. Ceci se produit aux environ d'une pression de 320bar pour les échangeurs à gaz de la dernière génération. Une haute pression de circulation permet un nettoyage plus efficace de l'échangeur. Selon d'autres modes de réalisation, le dioxyde de carbone nettoyant à l'intérieur de l'échangeur, circule à une température supérieure à 20 C, notamment à une température comprise entre 20 C et 31 C. Dans les conditions de température et de pression précitées, le dioxyde de carbone se trouve en phase liquide. Ceci est avantageux pour la réalisation de l'invention en raison de l'entraînement efficace des impuretés et essentiellement en raison de la facilité de réalisation. En effet, opérer à de telles conditions physico-chimiques, est bien plus simple que d'opérer dans des conditions supercritiques. L'efficacité du nettoyage est directement dépendante du débit du fluide nettoyant. Ce débit se situe généralement entre 20kg/h et 230kg/h. Selon un mode préférentiel de réalisation, le fluide de nettoyage circule avec un débit compris entre 20kg/h et environ 150kg/h. Selon un autre mode de réalisation, les impuretés ou particules indésirables solides et/ou liquides sont insolubles dans le fluide de nettoyage et sont séparées en continu dudit fluide. Ceci peut être fait par filtration et/ou décantation. Le procédé de nettoyage selon l'invention est particulièrement adapté pour être utilisé pour le nettoyage d'un échangeur de chaleur du type refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation utilisant du dioxyde de carbone (CO2). Ceci sera détaillé plus loin. L'invention vise également une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-avant. L'installation comprend: - une boucle fermée contenant l'échangeur de chaleur à nettoyer et propre à être parcourue par le fluide de nettoyage, - un réservoir pour le fluide de nettoyage, et - des moyens de compression pour faire circuler le fluide de nettoyage sous une pression donnée à l'intérieur de la boucle fermée. Selon un mode de réalisation, l'installation peut en outre comprendre un condenseur et un accumulateur, tous deux en amont dudit échangeur de chaleur à nettoyer. On peut également prévoir des moyens de séparation pour éliminer les particules indésirables solides et/ou liquides. Cette séparation se fait préférentiellement par des moyens de filtration et/ou de décantation. 10 Optionnellement, dans le cas où le procédé fait intervenir un co-solvant, l'installation peut comprendre un réservoir pour ce dernier. 15 Pour des raisons de sécurité qui seront détaillées plus loin, une soupape de surpression reliée à la boucle, en amont de l'échangeur de chaleur à nettoyer peut être prévue dans l'installation. 20 Pour les mêmes raisons que ci-dessus et d'autres, une chambre de protection à l'intérieur de laquelle se trouve l'échangeur de chaleur peut être prévue dans l'installation. Ceci sera également détaillé plus loin. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et de la figure 1 annexée. Bien évidement, l'invention ne se limite pas au mode de 30 réalisation décrit ci-après, mais englobe toutes les réalisations que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications annexées.5 La figure 1 illustre une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de nettoyage interne d'un échangeur de chaleur. Le circuit de la figure 1 est constitué d'une boucle fermée contenant un échangeur de chaleur 10 à nettoyer. Cet échangeur 10 sera traversé intérieurement par un fluide de nettoyage, à savoir par exemple du dioxyde de carbone (CO2). Un réservoir 1 pour le fluide de nettoyage est placé en début de la boucle fermée. Ce réservoir contient donc le fluide destiné à parcourir la boucle en vue du nettoyage interne de l'échangeur 10. Pour assurer un état au moins partiellement liquide du fluide de nettoyage, ce dernier traverse un condenseur 2 au niveau duquel sont fixés les conditions de température du fluide. Pour l'utilisation du dioxyde de carbone, la température sera fixée préférentiellement entre 20 C et 31 C. Une accumulation du fluide a lieu dans la suite du circuit au niveau d'un accumulateur 3. Cette accumulation de fluide nettoyant est destinée à assurer un jet régulier de pression constante dans la suite du circuit. A cet effet, une pompe (ou compresseur) haute pression du fluide de nettoyage 5, est placée en aval de l'accumulateur 3 et est destinée à propulser un jet de fluide à haute vitesse au travers de l'intérieur de l'échangeur de chaleur 10. Le fluide est préférentiellement comprimé de manière à l'amener à une pression supérieure ou voisine de 120 bar. Ce paramètre sera déterminé en fonction de la température du fluide, afin de garder un état au moins partiellement liquide, tel que défini plus haut. La limite maximale supérieure ou acceptable sera définie en fonction de l'échangeur de chaleur 10 à nettoyer. Par limite maximale acceptable on entend la pression au delà de laquelle l'échangeur 10 encourt des risques d'éclatement. Pour la dernière génération d'échangeurs de chaleur, celle-ci se situe aux environs de 300 bar. Parallèlement à l'accumulateur 3 et au compresseur 5, sont branchés: d'une part un réservoir à co-solvant 4, et d'autre part une pompe (ou compresseur) haute pression pour un co-solvant 6. L'utilisation d'un co-solvant en combinaison avec le fluide de nettoyage permet une meilleure dissolution des particules à éliminer. Le cosolvant peut être un solvant polaire ou non-polaire (apolaire). À titre d'exemple, on pourra citer, en ce qui concerne les solvants polaires: un mélange acétone-méthanol ou encore du diméthyle-sulfoxyde; et en ce qui concerne les solvants apolaires: des alcanes tels que l'heptane ou l'iso-octane. La pompe 6 comprime le co-solvant de façon analogue au compresseur 5 décrit plus haut. Les conditions de pression du co-solvant se situeront par conséquent dans la même gamme de valeurs que pour le fluide de nettoyage, à savoir entre 120 bar et environ 300 bar. Toutefois, l'ajout de co-solvant reste optionnel et, s'il est présent, sa concentration sera faible à savoir inférieur ou égal à environ 10% en poids dans le mélange fluide nettoyant./co-solvant. Ceci toujours pour des raisons de protection environnementale. Avant de passer au travers de l'échangeur de chaleur 10, le mélange fluide nettoyant/co-solvant est préalablement libéré d'impuretés au niveau d'un filtre 7. D'une part ceci permet un nettoyage plus efficace en évitant l'introduction de particules indésirables additionnelles dans l'échangeur 10. Et d'autre part, un éventuel risque d'endommagement de l'échangeur 10 par des particules solides sous haute pression est écarté. Par la suite, le mélange fluide nettoyant/co-solvant traverse intérieurement l'échangeur de chaleur 10. Les impuretés solides et/ou liquides contenues dans l'échangeur 10 sont alors entraînés par le mélange nettoyant. Pour des raisons de sécurité, l'échangeur 10 est de préférence placé à l'intérieur d'une chambre 9. Cette chambre isole le fluide nettoyant de l'environnement. En effet, le dioxyde de carbone présente un caractère nocif lors d'une exposition à haute concentration. Pour éviter toute émission dans l'atmosphère environnante, et éviter tout risque pour les opérateurs du procédé de nettoyage, il est donc plus judicieux de prévoir une chambre isolante 9. De plus, en abaissant la pression à l'intérieur de la chambre 9, celle-ci peut permettre d'effectuer un contrôle d'éventuelles fuites de l'échangeur de chaleur 10. Ici apparaît un autre avantage de la présente invention. Le contrôle d'étanchéité ainsi que le contrôle de résistance à de hautes pressions de l'échangeur 10, peut être effectué30 simultanément au procédé de nettoyage selon l'invention. 1l en résulte un grand intérêt économique et un gain de temps non négligeable lors de la fabrication de l'échangeur 10. Le procédé de nettoyage accompagné des tests précités, peut donc être placé en fin de ligne de production d'un échangeur de chaleur. Également pour des raisons de sécurité, une soupape de surpression 8 reliée à la boucle, est placée en amont de l'échangeur de chaleur 10 à nettoyer. Une éventuelle surpression qui risquerait d'endommager l'échangeur 10 pourra être évacuée. Après passage du mélange nettoyant par l'échangeur 10, des moyens de séparation pour éliminer les particules indésirables solides et/ou liquides du mélange nettoyant sont placées dans la continuité de la boucle. L'élimination de particules solides et/ou liquides se fait au moyen d'un filtre 11 et d'un dispositif de décantation 12. Le dispositif de décantation 12 a pour fonction de séparer les particules qui n'ont pas été piégées et éliminées par le filtre 11 situé en amont. La boucle se ferme avec le retour du fluide nettoyant au 25 condenseur 2. Un avantage d'opérer avec une installation à boucle fermée est que l'on peut facilement effectuer plusieurs cycles de nettoyage l'un à la suite de l'autre. En effet, il est 30 connu dans la technique de la chimie, que l'efficacité d'un procédé de nettoyage est augmentée par la répétition de cycles brefs. 5 10 Optionnellement, on pourra prévoir un moyen d'inversion du sens de circulation du mélange nettoyant, afin de pouvoir décrocher et éliminer des impuretés bloquées à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 10. Le tableau I ci-dessous reflète l'efficacité d'un procédé de nettoyage selon l'invention. Masse totale Surface interne de Température Pression Débit Temps d'impuretés l'échangeur de ( C) (Mpa) CO2 (min) (rng/m2) chaleur à nettoyer (k ) (m2) Échangeur de 1522 0,155 0 0 0 0 Chaleur A non soumis au procédé de nettoyage interne. Échangeur de 931 0,155 0 0 0 0 Chaleur B - non soumis au procédé de nettoyage interne. Échangeur de 149 0,383 20 12 20 60 Chaleur C soumis au procédé de nettoyage interne. Échangeur de 286 0,155 60 12 10 60 Chaleur D - soumis au procédé de nettoyage interne. Échangeur de 129 0,155 40 20 7,5 60 Chaleur C - soumis au procédé de nettoyage interne. Tableau I. Le tableau I fait apparaître cinq échangeurs de chaleur, qui ont été assemblés dans des conditions identiques, au même moment et lors d'un même procédé de fabrication. 15 Afin de caractériser l'état de propreté initial, une analyse de propreté a été réalisée sur deux d'entre eux, à savoir des échangeurs A et B. Cette analyse et plus précisément le taux d'impuretés présent dans les échangeurs, pourra servir de référence pour le calcule de l'efficacité du procédé de nettoyage. Aux trois autres échangeurs C, D, et E a été appliqué un procédé de nettoyage interne selon l'invention, suivi d'une 10 analyse de propreté analogue à celle des échangeurs A et B. Les résultats reportés dans le tableau 1 reflètent l'efficacité de la présente invention. 15 L'efficacité se détermine en fonction du rapport entre le taux d'impuretés avant nettoyage et le taux d'impuretés après nettoyage: -l'efficacité maximale est d'environ 12, - l'efficacité minimale est d'environ 3, et 20 - l'efficacité moyenne est d'environ 6,5. Le tableau I montre que l'efficacité dans des conditions préférentielles (échangeur C) de l'invention est comparable à l'efficacité du procédé de nettoyage dans des conditions 25 supercritiques. En effet le rapport de la masse totale d'impuretés après et avant nettoyage interne est d'environ 8 dans les conditions selon l'invention et d'environ 9,5 dans des conditions supercritiques. 30 En opérant dans les conditions de l'invention, il est donc possible d'atteindre une propreté spécifique inférieure à 300 mg/m2. Il ressort donc de la présente description, que l'invention telle que revendiquée présente une multitude d'avantages. Lorsque le procédé de nettoyage interne, tel que décrit ci- dessus, est appliqué pour un échangeur de chaleur du type refroidisseur de gaz pour un circuit de climatisation utilisant du dioxyde de carbone, aucune étape de rinçage n'est nécessaire car le fluide de nettoyage est identique au gaz de l'échangeur (à savoir du CO2). De plus, une éventuelle étape de séchage est éliminée car le dioxyde de carbone est volatile dans les conditions normales de température et de pression. Bien évidement, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-avant mais englobe toutes les réalisations que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications annexées. Revendications . 1. Procédé de nettoyage interne d'un échangeur de chaleur dans lequel on utilise un fluide de nettoyage pour éliminer des particules contenues dans l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage est un fluide à l'état gazeux dans les conditions normales de température et de pression, en particulier du dioxyde de carbone (CO2), que l'on fait circuler dans l'échangeur de chaleur dans des conditions contrôlées de température et de pression pour que ledit fluide de nettoyage se trouve au moins en partie en phase liquide pour agir comme solvant à l'égard des particules à éliminer. 2. Procédé de nettoyage interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait circuler le fluide de nettoyage dans une boucle fermée comprenant l'échangeur de chaleur à nettoyer, pendant une période de temps suffisante pour éliminer lesdites particules. 3. Procédé de nettoyage interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on alimente la boucle fermée de fluide de nettoyage et en ce que l'on comprime le fluide de nettoyage dans la boucle fermée. 4. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on alimente en outre la boucle fermée avec un co-solvant. 30 5. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage est du dioxyde de carbone qui circule à une pression supérieure à 100bar. 1625 6. Procédé de nettoyage interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage circule à une pression comprise entre 120bar et la pression maximale acceptable d'environ 300bar. 7. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage circule à une température supérieure à 20 C 8. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage circule à une température comprise entre 20 C et 31 C. 15 9. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de nettoyage circule avec un débit compris entre 30kg/h et environ 230kg/h. 10. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules sont insolubles dans le fluide de nettoyage et sont séparées en continu dudit fluide. 25 11. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on sépare les particules par filtration et/ou décantation. 30 12. Procédé de nettoyage interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est un refroidisseur de gaz pour un 20circuit de climatisation utilisant du dioxyde de carbone (CO2) . 13. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon 5 l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une boucle fermée contenant l'échangeur de chaleur (10) à nettoyer et propre à être parcourue par le fluide de nettoyage, 10 - un réservoir (1) pour le fluide de nettoyage, et - des moyens de compression (5) pour faire circuler le fluide de nettoyage sous une pression donnée dans la boucle fermée. 15 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre en amont dudit échangeur de chaleur (10) à nettoyer: -un condenseur (2), et - un accumulateur (3). 20 15. Installation selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: - des moyens de séparation (7, 11, 12) pour éliminer les particules. 16. Installation selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de séparation (7, 11, 12) sont des moyens de filtration et/ou de décantation. 30 17. Installation selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre: - un réservoir pour un co-solvant (4). 255 18. Installation selon l'une des revendications 13 à 17, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre: - une soupape de surpression (8) reliée à la boucle, en amont de l'échangeur de chaleur (10) à nettoyer. 19. Installation selon l'une des revendications 13 à 18, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre: - une chambre de protection (9) à l'intérieur de laquelle se trouve ledit échangeur de chaleur (10).