Brevet FR3123976A1 — publié le 20221216

La présente invention concerne dispositif et une méthode de détermination des variations de performances thermiques d’un échangeur de chaleur qui met en œuvre des mesures électrochimiques (5, 6, 7, 9) et une comparaison dans le temps des mesures électrochimiques. En outre, l’invention concerne un système expérimental de prédiction d’une variation de performances thermiques, ainsi qu’un échangeur de chaleur qui mettent en œuvre le dispositif ou le procédé selon l’invention. Figure 1 à publier Dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur, dans le but de déterminer leurs pertes d’efficacité dues à des phénomènes d’encrassement. L’invention concerne également un système expérimental et un échangeur de chaleur intégrant un dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques. L’encrassement des surfaces métalliques d’installations industrielles constitue un problème opérationnel majeur, en particulier au sein des échangeurs de chaleur. Ce problème peut générer des coûts de maintenance élevés, des pertes d’efficacité des procédés, des arrêts de production, etc. Ces dépôts peuvent être de natures très variées, notamment des dépôts minéraux. Ces dépôts peuvent dans certains cas être favorisés par un phénomène de corrosion de l’installation et contenir des cations métalliques, comme par exemple dans le carbonate de fer. On rencontre également des dépôts provenant exclusivement de la précipitation de sels initialement dissous dans le fluide en contact avec les parois métalliques : par exemple du carbonate de calcium ou le sulfate de calcium. Dans ce cas, le phénomène de précipitation peut être favorisé par des changements de température ou de pression du fluide, comme on peut en rencontrer dans des tubes de puits au fur et à mesure que le fluide remonte vers la surface, ou bien dans des échangeurs de chaleur par exemple. Enfin, des dépôts mixtes contenant à la fois des produits de corrosion et des sels issus du milieu sont également fréquents. Il existe différentes solutions pour prévenir de tels dépôts, parmi lesquelles on peut citer les inhibiteurs d’encrassement, des injections d’acide pour dissoudre des dépôts déjà formés, ou encore l’emploi de nuances d’aciers résistantes à la corrosion. Afin d’optimiser les coûts de telles mesures, il est intéressant de disposer de moyens de détection in-situ de la formation de dépôts. De telles techniques peuvent être utilisées par exemple pour déclencher des actions de nettoyage ou pour ajuster en continu l’injection d’additifs. En outre, il peut également être intéressant de disposer de moyens de détection in-situ ou des moyens de prédiction de la réduction ou de la destruction des dépôts à la suite de l’utilisation d’une méthode de remédiation ou de maintenance (inhibiteur d’encrassement, injection d’acide, etc.). Il existe de nombreuses méthodes de détection de l’encrassement minéral sur une surface (par ex. par mesure du changement de température, d’un débit d’écoulement, etc.). Pour les échangeurs de chaleur, une méthode courante consiste à effectuer des mesures de perte de charge entre l’entrée et la sortie de l’échangeur. Une augmentation de la perte de charge peut être associée à des diminutions de section de passage du fluide causées par des dépôts. Une autre méthode également souvent citée fait appel à des mesures de températures en entrée et en sortie de l’échangeur. Une diminution de l’écart entre ces deux températures peut être révélatrice d’une baisse de performance de l’échangeur de chaleur causée par un dépôt. Une telle méthode est par exemple proposée dans le certificat d’utilité CN209486013U. Cette technique de mesures de températures peut encore être améliorée afin de déterminer des paramètres représentatifs de la performance de l’échange thermique, et par voie de conséquence une baisse de cette performance en cas de présence de dépôt. Ainsi, il est assez classique de déterminer une résistance d’encrassement (en anglais : « fouling resistance », Rf) dont le calcul est basé sur des mesures de température des fluides de part et d’autre de la paroi métallique, ainsi qu’à la surface de cette paroi. Par exemple, le document « Bipan Bansal, Hans MÜller-Steinhage (2001) Comparison of Crystallization Fouling in Plate and Double-Pipe Heat Exchangers. In : Heat Transfer Engineering, vol. 22, n° 5, p. 13–25. DOI: 10.1080/01457630117263 » définit la résistance d’encrassement par la formule suivante : Avec U et U 0 les coefficients de transfert thermique respectivement au temps t et temps 0. Ces coefficients sont définis par la formule suivante : Avec A est la surface de transfert de chaleur, le flux thermique, et la différence de température moyenne logarithmique. Dans cette équation, le flux thermique peut être défini par : Avec le débit massique de la solution (c’est-à-dire un des fluides présents dans l’échangeur de chaleur), c p la chaleur spécifique de la solution, T o la température de sortie de la solution, T i la température d’entrée de la solution. Cette méthode nécessite toutefois d’introduire des thermocouples dans l’échangeur thermique, et la mesure des températures de surface peut s’avérer complexe. Par ailleurs, les thermocouples peuvent eux-mêmes être soumis à encrassement, ce qui peut biaiser les mesures. Toujours basées sur des mesures de température, d’autres techniques peuvent faire appel à une source de chaleur contrôlée, par exemple au moyen de résistances appliquées sur la paroi de l’équipement (interne ou externe) à contrôler et soumise à une puissance bien contrôlée. Une telle technique est décrite notamment dans la demande de brevet WO09153323 A1. Cette méthode est assez complexe, et implique l’emploi de matériel onéreux qui nécessite un suivi métrologique pointu. De plus, elle requiert également l’emploi de capteurs intrusifs, en particulier des thermocouples. D’autres méthodes peuvent être utilisées, comme par exemple : Des mesures de teneurs en sels dans le fluide encrassant, afin de détecter une baisse de concentration de certaines espèces, significative d’un phénomène de précipitation. Cette méthode est toutefois complexe, car elle nécessite de réaliser des prélèvements pour analyses, et par ailleurs, elle ne renseigne pas du lieu où s’est produite la précipitation. En particulier, une précipitation de particules de petite taille qui restent en suspension dans la solution peut donner la même réponse qu’une précipitation massive en surface des tubes d’échangeur, alors que ces deux cas sont très différents vis-à-vis de leurs conséquences sur les échanges thermiques. Des méthodes ultrasonores, qui se basent sur une modification des caractéristiques des ondes ultrasonores renvoyées par les surfaces de métal selon qu’un dépôt est présent ou non en surface, une telle méthode est décrite par exemple dans la demande de brevet EP 2115452. Même si elles sont très sensibles, ces techniques présentent les inconvénients d’être assez complexes à mettre en œuvre, avec notamment des capteurs spécifiques, et de ne procéder qu’à une mesure ponctuelle et non moyennée sur une surface. Des méthodes d’imagerie, par exemple utilisant la tomographie par capacitance électrique qui permet de détecter les variations de permittivité diélectrique de l’objet contrôlé, et de détecter ainsi des dépôts sur des surfaces métalliques, une telle méthode est décrite par exemple dans la demande de brevet WO2014/184421 A1. La microbalance à quartz, qui permet une mesure directe de la masse de dépôt formé à la surface d’une électrode métallique déposée sur un substrat en quartz. Cette méthode extrêmement sensible a comme principal défaut de ne pas réaliser la mesure directement sur le système réel, mais sur la surface du quartz, non complètement représentatif de l’échangeur thermique (nature de l’électrode métallique non représentative d’un acier massif, propriétés d’échange thermique différentes entre la surface de la microbalance et les tubes d’échangeur). L’invention a pour but de déterminer des variations de performances thermiques d’un échangeur de chaleur de manière simple, rapide et précise. Pour cela l’invention concerne un dispositif et une méthode de détermination des variations de performances thermiques d’un échangeur de chaleur qui met en œuvre des mesures électrochimiques et une comparaison dans le temps des mesures électrochimiques. Les mesures électrochimiques permettent une mesure simple, rapide et précise. La comparaison dans le temps permet de déduire la variation de performances thermiques. En outre, l’invention concerne un système expérimental de prédiction d’une variation de performances thermiques, ainsi qu’un échangeur de chaleur qui mettent en œuvre le dispositif ou le procédé selon l’invention. L’invention concerne un dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur entre deux fluides ou entre un fluide et une source de chaleur ou une source de froid, ledit échangeur de chaleur comprenant au moins une paroi métallique pour le transfert thermique. Ledit dispositif comporte des moyens de mesures électrochimiques, lesdits moyens de mesures électrochimiques comprenant une électrode formée par ladite au moins une paroi métallique et au moins une deuxième électrode, et en ce que ledit dispositif comporte des moyens de détermination de la variation de performances thermiques dudit échangeur de chaleur qui comparent la mesure électrochimique réalisée par lesdits moyens de mesures électrochimiques entre au moins deux instants distincts. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comporte des moyens de mesure de la température d’au moins un des fluides. Conformément à une mise en œuvre, lesdits moyens de mesures électrochimiques comportent au moins une contre électrode, de préférence la contre électrode est en platine. Selon un aspect, lesdits moyens de mesures électrochimiques comportent au moins une électrode de référence, ladite électrode de référence étant agencée dans un desdits deux fluides, de préférence ladite électrode de référence est de type Ag/AgCl. Avantageusement, lesdits moyens de mesures électrochimiques sont des moyens de mesure de l’impédance électrochimique, notamment des moyens de spectroscopie d’impédance électrochimique. De plus, l’invention concerne un système expérimental de prédiction d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur, ledit système de prédiction comprenant un réservoir comportant un premier fluide, une portion de paroi métallique dudit échangeur de chaleur agencée dans ledit premier fluide au sein dudit réservoir, et dans lequel on fait circuler un deuxième fluide ou dans lequel on apporte de la chaleur ou du froid. Ledit système de prédiction comprend un dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes, pour lequel lesdits moyens de mesures électrochimiques comprennent au moins deux électrodes, dont une électrode est formée par ladite paroi métallique. Avantageusement, ledit système de prédiction comprend des moyens de bullage d’un gaz dans ledit premier fluide. L’invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant au moins deux volumes pour la circulation respectives de deux fluides, lesdits deux volumes étant séparés par au moins une paroi métallique. Ledit échangeur de chaleur comprend au moins un dispositif selon l’une des caractéristiques précédentes, une électrode desdits moyens de mesure électrochimiques étant formée par ladite au moins une paroi métallique. Conformément à un mode de réalisation, ledit échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à tubes ou un échangeur de chaleur à plaques. En outre, l’invention concerne un procédé de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur entre deux fluides ou entre un fluide et une source de chaleur ou une source de froid, ledit échangeur de chaleur comprenant au moins une paroi métallique pour le transfert thermique entre lesdits deux fluides. Pour ce procédé, on met en œuvre les étapes suivantes : On réalise, à un premier instant, une première mesure électrochimique, de préférence une mesure d’impédance électrochimique, au moyen de deux électrodes, une électrode étant formée par ladite au moins une paroi métallique ; On réalise, à un deuxième instant, une deuxième mesure électrochimique, de préférence une mesure d’impédance électrochimique, au moyen desdites deux électrodes ; et On compare ladite première mesure électrochimique à ladite deuxième mesure électrochimique, et on en déduit une variation de performances thermiques dudit échangeur de chaleur entre le premier instant et le deuxième instant. Selon une mise en œuvre, on réalise ladite mesure d’impédance électrochimique, notamment une spectroscopie d’impédance électrochimique, à une fréquence comprise entre 10 -3 et 10 5 Hz, de préférence comprise entre 10 -2 et 10 4 Hz. Selon un aspect, on réalise ladite mesure d’impédance électrochimique, notamment une spectroscopie d’impédance électrochimique, à une amplitude comprise entre ±1 et ±100 mV, de préférence comprise entre ±5 et ±20 mV. D'autres caractéristiques et avantages des dispositifs et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures La illustre un système expérimental selon un mode de réalisation de l’invention. La illustre un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention. La illustre un circuit électrique équivalent pour analyser les résultats des mesures d’impédance électrochimique selon un mode de réalisation. La est une série de courbes, pour un premier exemple, de la partie imaginaire de l’impédance électrochimique en fonction de la partie réelle de l’impédance électrochimique mesurées après différentes durées d’immersion correspondant à différents niveaux d’encrassement minéral, l’impédance électrochimique étant obtenue par le dispositif selon un mode de réalisation de l’invention. La est une série de courbes, pour un deuxième exemple, de la partie imaginaire de l’impédance électrochimique en fonction de la partie réelle de l’impédance électrochimique mesurées après différentes durées d’immersion correspondant à différents niveaux d’encrassement minéral, l’impédance électrochimique étant obtenue par le dispositif selon un mode de réalisation de l’invention. La est une courbe comparative de la détermination de la résistance d’encrassement à partir d’une mesure électrochimique selon un mode de réalisation de l’invention et selon un mode de réalisation de l’art antérieur pour le premier exemple de la . La est une courbe comparative de la détermination de la résistance d’encrassement à partir d’une mesure électrochimique selon un mode de réalisation de l’invention et selon un mode de réalisation de l’art antérieur pour le deuxième exemple de la . Dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur entre deux fluides ou entre un fluide et une source de chaleur ou une source de froid, ledit échangeur de chaleur comprenant au moins une paroi métallique pour le transfert thermique, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte des moyens de mesures électrochimiques, lesdits moyens de mesures électrochimiques comprenant une électrode formée par ladite au moins une paroi métallique et au moins une deuxième électrode, et en ce que ledit dispositif comporte des moyens de détermination de la variation de performances thermiques dudit échangeur de chaleur qui comparent la mesure électrochimique réalisée par lesdits moyens de mesures électrochimiques entre au moins deux instants distincts. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif comporte des moyens de mesure de la température d’au moins un des fluides. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de mesures électrochimiques comportent au moins une contre électrode, de préférence la contre électrode est en platine. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de mesures électrochimiques comportent au moins une électrode de référence, ladite électrode de référence étant agencée dans un desdits deux fluides, de préférence ladite électrode de référence est de type Ag/AgCl. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de mesures électrochimiques sont des moyens de mesure de l’impédance électrochimique, notamment des moyens de spectroscopie d’impédance électrochimique. Système expérimental de prédiction d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur, ledit système de prédiction comprenant un réservoir comportant un premier fluide, une portion de paroi métallique dudit échangeur de chaleur agencée dans ledit premier fluide au sein dudit réservoir, et dans lequel on fait circuler un deuxième fluide ou dans lequel on apporte de la chaleur ou du froid, caractérisé en ce que ledit système de prédiction comprend un dispositif de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur selon l’une des revendications précédentes, pour lequel lesdits moyens de mesures électrochimiques comprennent au moins deux électrodes, dont une électrode est formée par ladite paroi métallique. Système expérimental selon la revendication 6, dans lequel ledit système de prédiction comprend des moyens de bullage d’un gaz dans ledit premier fluide. Echangeur de chaleur comprenant au moins deux volumes pour la circulation respectives de deux fluides, lesdits deux volumes étant séparés par au moins une paroi métallique, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur comprend au moins un dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, une électrode desdits moyens de mesure électrochimiques étant formée par ladite au moins une paroi métallique. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, dans lequel ledit échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à tubes ou un échangeur de chaleur à plaques. Procédé de détermination d’une variation de performances thermiques d’un échangeur de chaleur entre deux fluides ou entre un fluide et une source de chaleur ou une source de froid, ledit échangeur de chaleur comprenant au moins une paroi métallique pour le transfert thermique entre lesdits deux fluides, caractérisé en ce qu’on met en œuvre les étapes suivantes : On réalise, à un premier instant, une première mesure électrochimique, de préférence une mesure d’impédance électrochimique, au moyen de deux électrodes, une électrode étant formée par ladite au moins une paroi métallique ; On réalise, à un deuxième instant, une deuxième mesure électrochimique, de préférence une mesure d’impédance électrochimique, au moyen desdites deux électrodes ; et On compare ladite première mesure électrochimique à ladite deuxième mesure électrochimique, et on en déduit une variation de performances thermiques dudit échangeur de chaleur entre le premier instant et le deuxième instant. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on réalise ladite mesure d’impédance électrochimique, notamment une spectroscopie d’impédance électrochimique, à une fréquence comprise entre 10 -3 et 10 5 Hz, de préférence comprise entre 10 -2 et 10 4 Hz. Procédé selon l’une des revendications 10 ou 11, dans lequel on réalise ladite mesure d’impédance électrochimique, notamment une spectroscopie d’impédance électrochimique, à une amplitude comprise entre ±1 et ±100 mV, de préférence comprise entre ±5 et ±20 mV.