MECHANICAL DEVICE TO IMPROVE THE TRANSFER OF HEAT AND TO PREVENT CLOGGING OF HEAT EXCHANGERS

Abstract: 1. A heat exchanger comprising a plurality of tubes (1) in which a fluid circulates and in at least one of which is disposed a movable element formed by a metal coil in the form of a solenoid, at least one end of which is held in position by a coupling system such that said movable element can be caused to rotate by the fluid so as to prevent said tube from becoming clogged and to improve heat transfer, said exchanger being characterised in that said movable element (2) in the form of a solenoid is rigid and non-deformable so that it can be caused to rotate without coming into contact with the inner wall of said tube (1) during its movement, while said coupling system comprises an outer fastening means to said exchanger tube and a mechanical connection (4) enabling said movable element to rotate freely on its own axis, about the axis of said exchanger tube.

Description: Procédé et dispositif mécanique destinés à améliorer les transferts thermiques et & révenir l'encrassement des échangeurs de chaleur. La présente invention est relative à un procédé et un dispositif mécanique destinés a améliorer les transferts thermiques et à empêcher l'encrassement rapide des échangeurs de chaleur. Il est connu, dans l'industrie, que les transferts thermiques diminuent au coers du temps, car les tubes d'échangeurs s'encrassent, leurs parois internes se recouvrant progressivement d'une substance solide ou dépit agissant comme isolant thermique à faible conductivité thermique. Ce dépôt provient généralement de la surchauffe du fluide sur les parois internes des tubes qu'il traverse, mais aussi des effets de la corrosion. Les industriels de la chimie, de la pétrochimie et du pétrole observent de tels dép8ts, provenant de la décomposition de produits organiques du type des polymères ou des hydrocarbures et de produits minéraux a' l'état liquide. Par ailleurs l'industrie agroalimentaire provoque également de tels dépits et s'intéresse à ces problèmes. Dans l'industrie pétrolière, les techniciens se sont appliqués, ces dernières années, à mieux intégrer leurs unités, en vue de récupérer le maximum d'énergie, par exemple en préchauffant un pétrole brut par le résidu atmosphérique sortant chaud de 1'unité de distillation atmosphérique. Or ce type de récupération d'énergie nécessite l'emploi d'échangeurs, dans lesquels les transferts thermi- ques doivent être très bons. Les pétroles bruts traités dans une raffinerie sont souvent d'origine très diverse et, parmi eux, de nombreux pétroles bruts dits lourds sont très riches en sédiments, en sels et en acides naphténiques, donc très corrosifs et sujets à former des dépits sur les parois internes des tubes d' échangeurs à l'intérieur desquels ils circulent généralement. Certains résidus atmosphériques, en mélange dans les pétroles bruts, ont tendance à former des dépôts en se condensant sur les parois des tubes d'échangeurs. L'emploi de ces hydrocarbures lourds, difficiles à traiter, tend donc à accroître la vitesse d'encrassement des tubes d'échangeurs, à augmenter plus rapidement la résistance au transfert thermique et, par suite, à diminuer l'efficacité des transferts thermiques. Plusieurs solutions à ce problème ont été envisagées. Une première solution, notamment décrite dans le brevet US 4 174 750,consiste à introduire un ruban hélicoSdal qui gratte la paroi du tube échangeur en tournant sur lui-même et met le fluide circulant en totale turbulence. L'utilisation d'un tel ruban n'est pas favorable, car il use la paroi et,surtout,sa présence dans le tube augmente la perte de charge. Une deuxième solution consiste à introduire dans chaque tube d'échangeur un ressort élastique, généralement hélicordal, tendu entre deux points ou maintenu à l'une de ses extrémités à l'aide d'une liaison rigide, comme dans les brevets français FR 2 435 292 et FR 2 479 964. Selon ces deux brevets, le ressort hélicoVdal, d'élasticité judicieusement choisie, est animé d'un mouvement vibratoire et/ou de rotation, provoqué par un dispositif mécanique d'entrainement non continu suivant un mouvement de va-et-vient, ou simplement par l'action du flux de fluide circulant dans ces tubes0 Le ressort élastique peut se mouvoir à la façon d'une onde propagatrice soit sous l'action du mouvement de va-et-vient, dd au dispositif d'entraSnement, soit sous l'action des à-coups de fluide circulant, lorsque le débit du flux n'est pas constant, ou encore à la façon d'une onde stationnaire, sous l'action d'un flux à débit constant. Dans les deux cas, le ressort élastique présente des noeuds et des ventres sur une portion de la longueur du tube d'échangeur. Au niveau d'amplitude maximale des ventres, le ressort peut venir toucher la paroi du tube d'échangeur en un mouvement rotatoire autour de l'axe du tube d'échangeur. La paroi est ainsi raclée aux points de contact avec les ventres du ressort et n'est nettoyée qu'à ces points, notamment dans le cas du brevet FR 2 479 964. Selon les deux brevets précités, le mouvement rotatoire n'est pas une rotation réelle du ressort, mais une torsion de celui-ci sur lui-meme, à partir d'un système d'accrochage rigide. En effet, le système d'accrochage du ressort ne permet pas à celui-ci de tourner librement, quel que soit le sens de rotation, et indépendamment du point d'accrochage. L'utilisation de ces dispositifs améliore de façon certaine les transferts thermiques et repousse la limite tolérable de l'encrassement des tubes, mais des problèmes subsistent. Ainsi dans des tubes d'échangeur équipés de tels dispositifs, on observe qu'à l'extrémité située en aval du flux du ressort élastique, celui-ci se comprime, n'est plus animé de mouvement vibratoire et/ou de rotation, ne vient pas toucher la paroi du tube et donc est inefficace sur cette portion de tube. La fraction du tube non soumise aux vibrations est encore plus grande, si le ressort est fixé à ses deux extrémités. De plus, lorsque le fluide circulant présente des à-coups de débit ou de viscosité, les ressorts peuvent se casser et se trouver entrainés par le fluide, en bouchant ainsi la sortie et en créant une augmentation anormale de la perte de charge. De plus, comme ces ressorts élastiques sont soumis à une déformation permanente, ils se détendent et perdent leur élasticité, ce qui les rend inefLicaces après un certain temps d'utilisation et par conséquent irrécupérables. L'inefficacité à long terme de ces dispositifs étant liée notamment à la perte d'élasticité des ressorts et à leur manque de robustesse, l'invention vise à proposer un dispositif rigide et robuste, pouvant etre réutilisé, qui soit peu sensible aux à-coups du débit et de la vis cosité du fluide circulant, et qui ne crée pas ou peu de pertes de charge. La présente invention a pour objet un dispositif mécanique pour la prévention de l'encrassement qui ne présente pas les inconvénients des solutions précédentes, ce dispositif comprenant au moins un élément mobile et au moins un système d'accrochage de cet élément mobile et étant caractérisé en ce que ledit élément mobile est un enroulement métallique en forme de solenoSde indéformable suffisammentrigide pour prévenir le raclage de la paroi interne dudit tube et peut être mis en rotation permanente par le fluide circulant dans ledit tube d'échangeur, tandis que ledit système d'accrochage comprend un moyen de fixation extérieur audit tube échangeur et une liaison mécanique permettant la libre rotation dudit élément mobile sur lui même, autour de l'axe dudit tube d'échangeur. Dans la présente description, on entend par élément mobile indéformable et rigide, un mobile oui ne peut pas être déformé sous l'action du fluide, dans les conditions normales de marche des tubes d'échangeur. En particulier, le mobile n'est pas déformé lorsque le fluide circulant présente des variations de vitesse, de viscosité et/ou de température, Comme le mobile est rigide, il ne touche à aucun moment la paroi du tube en tournant sur lui-même, ce qui évite l'usure de celle-ci. En outre, l'encombrement dudit du mobile permet de limiter au mieux la perte de charge, et ainsi d'améliorer l'économie du procédé. Pour disposer d'un mobile indéformable, l'homme de l'art peut le fabriquer à partir d'un matériau résistant à la température et aux chocs thermiques, de préférence en un métal tel que le titane, l'aluminium, l'acier ou un alliage, ce matériau métallique pouvant avoir été ou non traité thermiquement afin d'améliorer ses propriétés physicochimiques. L'homme de l'art peut également rendre le mobile indéformable, en fixant sur celui-ci des tiges rigides, selon un mode connu en soi. Cette façon de rigidifier le modile permet l'emploi de matériaux légers et souples lors de sa fabrication. Dans la présente description, on entend, par système d'accrochage du mobile, un système comprenait un moyen de fixation du dispositif et une liaison mécanique comprenant une articulation mécanique permettant la rotation du mobile sur lui-même. Pour lEcmme de l'art, cette articulation mécanique peut etre réalisée selon différents modes connus en eux-mtmes. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'articulation mecanique permettant la rotation du mobile peut être constituée d'une rotule articulée, dont, par exemple, une partie correspond à l'extrémité libre d'une tige rigide reliée au moyen de fixation du dispositif par un moyen connu en soi, et dont 1'autre partie correspond à une des extrémités du mobile. Une autre forme de réalisation de l'articulation mécanique comprend une olive creuse trouée aux deux extrémités de son axe de révolution le plus grand. Les trous permettent, d'une part, le maintien des extrémités, de façon connue en soi, du mobile et de la tige rigide reliée au moyen de fixation, d'autre part, les rotations indépendantes de l'olive par rapport à la tige et du mobile par rapport à l'olive. Selon l'invention, l'articulation mécanique peut être également constituée par un étrier relié de façon rigide, par exemple, au moyen de fixation à l'aide d'une tige rigide, dont une partie réunissant les branches de l'étrier et qui sert de support lors d'une utilisation normale de celui-ci est percée d'un trou dans lequel l'extrémité du mobile, terminée par une excroissance de section supérieure à celle du trou, peut tourner librement indépendamment du moyen de fixation. Deux autres formes de réalisation de l'invention sont possibles. Pour la première, le moyen de fixation est percé d'une lumière traversé par une tige métallique pouvant tourner librement dans celle-ci, et comprenant & une extrémité une tête ronde de diamètre supérieur à celui du trou et dont la deuxième extrémité peut être raccordée au mobile0 Dans la seconde forme, la sonde terminant une même tige métallique est enchâssée dans le moyen de fixation. Toute articulation de type cardan connue en soi peut être utilisée dans le cadre de l'invention. Pour mettre en oeuvre l'invention, le moyen de fixation du dispositif sera disposé généralement suivant l'axe du tube d'échangeur, de manière que la rotation de l'élément mobile sur A lui-même s'effectue autour de cet axe. I1 peut être propre à chaque tube ou commun à tous les tubes d'un mêrne côté de l'échangeur. Il peut être matérialisé par exemple par le point d'ancrage d'une tige rigide, selon un mode connu en soi, sur un fil ou à l'intersection de deux fils, ces fils pouvant être fixés le long des diamètres d'une couronne circulaire ou d'une bague positionnée coaxialement sur le tube d'échangeur ou pouvant avantageu scwnt aire partie d'une grille placée sur toute la section de l'échangeur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la grille peut être judicieusement remplacée par une succession de profilés parallèles entre eux, distribués devant les orifices des tubes, la fixation du mobile via la liaison mécanique se faisant, par exemple, par fixation selon un mode connu en soi de la tige rigide issue de la liaison mécanique, ou par enchassage d'une partie de la liaison mécanique dans le profilé, en particulier par enchassage de l'olive, de l'étrier, du cardan ou de la partie femelle de la rotule. Pour l'homme de l'art, ces profilés constituant le moyen de fixation du dispositif peuvent présenter des dimensions et une forme appropriées pour minimiser l'encombrement de la section de l'échangeur et permettre une libre circulation du fluide. L'utilisation d'un dispositif selon 1'invention dans un tube d'échangeur est particulièrement avantageuse, car le mobile en rotation a pour effet d'augmenter la turbulence du fluide circulant principalement à la périphérie du tube, d'homogénéiser sa température sur toute la section du tube, donc d'éviter la création de points chauds sur la paroi du tube et par conséquent de diminuer consi dérablenent les risques de formation d'un dép8t. Selon une caractéristique de 1'invention, le mobile en rotation peut s'inscrire dans un cylindre fictif de diamètre df inférieur au diamètre d du tube d'échangeur dans lequel il est placé. Dans un mode de réalisation préféré de l'in- Invention afin de mettre en turbulence le fluide jusque sur la paroi interne du tube d'échangeur et ainsi éviter les points chauds, les diamètres d f et dt seront tels que le rapport dudit soit compris entre 0,1 et 0,9 et, de préférence, entre 0,5 et 0,9. Ainsi, le mobile ne touche à aucun moment la paroi du tube, et il ne la raye pas, et donc il ne crée pas d'aspérités parasites sur celle-ci, favorisant tout phénomène de corrosion. Le dispositif selon l'invention est avantageux en ce qu'il a un r8le préventif, car son utilisation minimise la formation de dépôt et n accro pas les phénomènes parasites tels que la corrosion, et qu'il résiste awx variations brutales du débit et de la viscosité du fluide circulant, le mobile tournant plus ou moins rapidement sans se casser. Un autre avantage de 1'invention est que le mobile du dispositif peut être relié, en amont ou en aval du flux de fluide circulant ou encore par ses deux extrémités, à un ou deux moyens de fixation à l'aide de liaisonsmécaniques permettant la rotation. Selon un mode de réalisation préféra de l'invention, le mobile peut être entièrement réalisé à partir d'une tige métallique rigide qui, après usinage, peut se présenter sous la forme d'un enroulement hélicoïdal rigide, tel qu'un solénoïde de pas régulier ou non. Plus le pas de l'enroulement est faible, par exemple entre 0,1 et 10 fois le diamètre dt du tube d'échangeur, et de préférence entre 0,5 et 2 fois dtî plus la vitesse de rotation du mobile est grande, et plus l'efficacité de lléchangeur thermique est élevées Dans ce cas, le mobile tourne dans le sens inverse du pas, avec une vitesse qui dépend de son poids, du débit et de la viscosité du fluide circulant. Ainsi,la forme du mobile peut varier d'un échangeur à l'autre en fonction de la nature du fluide. Pour un mobile donné, il existe une vitesse minimale du fluide circulant, permettant la mise en rotation du mobile. La présente invention concerne également un procédé d'amélioration des transferts thermiques et de prévention de l'encrassement des tubes d'échangeur,caractérisé en ce que le dispositif mécanique qui vient d'être défini est placé à l'intérieur des tubes d'échangeur et est fixé au moyen de son ou ses systèmes d'accrochage, autorisant ainsi la rotation de l'élément mobile sous l'action du fluide circulant en marche normale dans les tubes d'échangeur. Le passage du fluide dans chaque tube d'échangeur avec une vitesse suffisante provoque la mise en rotation permanente du mobile du dispositif 0 La rotation du mobile permet d'augmenter la turbulence du fluide notamment à la périphérie près des parois internes des tubes d'échangeur, sans toutefois les racler,d'éviter la création de points chauds, donc l'encrassement de l'échangeur, et conjointement d'améliorer les transferts thermiques sans augmentation notable de la perte de charge. Ce procédé prévient l'encrassement et permet d'espacer les nettoyages d'échangeur dans le temps. Le dispositif selon l'invention peut être introduit dans tout tube parcouru par un fluide, quelle que soit sa pression, ce fluide pouvant être un liquide organique ou minéral, mais aussi un gaz. La température du tube peut être aussi élevée que 400-500 C, Si la nature du matériau constituant le mobile le permet. A titre d'exemples non limitatifs ces dispositifs peuvent être installés dans les tubes d'échangeurs thermiques, dans les tubes de pyrolyse. Les dessins schématiques annexés illustrent des formes de mise en oestre de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue en coupe d'un tube d'échangeur équipé d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention t Les figures 2a, 2b, 2c, 2d et 2e, représentent différents moyens de réaliser la liaison mécanique du dispositif selon l'invention; La figure 3 illustre un moyen de fixation commun des dispositifs selon l'invention dans un échangeur et des mobiles rendus indéformables et rigides par l'ajout de tiges rigides. La figure 1 représente une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, logée dans un tube 1 d'échangeur thermique. Ce dispositif comprend un mobile 2, relié par l'intermediaire d'une articulation mécanique 4 à une tige rigide 5, fixée sur un organe 3. La liaison entre le mobile 2 et l'articulation mécanique 4 est telle que le mobile 2 peut tourner librement sur luimeAme, par rapport à l'articulation 4. Cette articulation 4 peut, dans certains cas, pivoter librement par rapport à la tige So Dans le cas de la figure 1, le mobile 2 est constitué par une tige métallique rigide enroulée en forme de solénoïde, ce qui lui permet de tourner sous la sollicitation du fluide circulant dans le tube 1. On va maintenant décrire diverses formes de réalisation de l'articulation mécanique du dispositif conforme à l'invention en se référant aux figures 2a, 2b, 2±, 2d et 2e. L'articulation représentée sur la figure 2a comprend une rotule dont 'impartie sphérique pleine 13, solidaire d'une tige 12, est logée dans un évidement sphérique de forme complémentaire, 11, solidaire d'une tige l4o Les tiges 12 et 14 peuvent indifféremment etre solidaires de, ou constituées par, la tige 5 et l'extrémité du mobile 2 de la figure 1. Dans le cas de la figure 2k, l'articulation comprend une olive creuse 15, percée suivant son grand axe de révolution, de deux orifices dans lesquels sont engagées deux tiges 16a, 16b, maintenues solidairEsde l'olive 15 par deux têtes 17a, 17b, logées à l'intérieur de celle-ci. Ici encore, les tiges 16a et 16b peuvent indifféremment être solidaires de ou constituées par la tige 5 et l'extré- mité du mobile 2 de la figure 1. Sur la figure 2c est représentée une autre forme de réalisation de l'articulation du dispositif selon l'invention, comprenant un étrier 18 rigidement solidaire d'une tige 19. La partie rectiligne 20 réunissant les branches de l'étrier est percée d'une lumière dans laquelle est engagée une tige 21, qu'une tête 22 maintient solidaire de l'étrier. Ici encore, les tiges 19 et 21 peuvent être rendues solidaires indifferer=ment de la tige 5 ou de l'extrérrîté du mobile 2 de la figure 1 ou être constituées par celles-ci. Sur la figure 2d, une tige métallique 24 traverse le moyen de fixation 25 et se termine par une tete ronde 23 de diamètre supérieur au trou de passage de la tige, l'autre extrémité de la tige 24 est reliée au mobile 2. Sur la figure 2e, la tête ronde 26 de la tige métallique 27 est enchâssée dans la cavité 28 du moyen de fixation 29. La figure 3 représente une partie d'échangeur dont les tubes lî et 12, parallèles et situés sur une même ligne, sont équipés de dispositifs objets de l'invention, dont les élément mobiles 21 et 22 sont rigidifiés par ajout de tiges rigides à la périphérie du solénoSde Ils possèdent un même moyen de fixation 3, constitué d'un même profilé métallique, dans lequel sont enchassées les olives creuses 41 et 42 des liaisons mécaniques. Ces olives sont fixes, mais elles permettent la rotation libre et permanente des mobiles 21 et 22. L'home de l'art choisira un moyen de fixation 3 de dimensions et de forme appropriées pour permettre la circulation normale du fluide dans l'échangeur.

Claims: REVENDICtsTIONS 1.- Dispositif mécanique destiné à être placé à l'intérieur d'un tube d'échangeur thermique (1), en vue de prévenir son encrassement et d'améliorer les transferts thermiques, ce dispositif comprenant au moins un élément mobile (2) et au moins un système d'accrochage (3, 4, 5) de cet élément mobile et étant caractérisé en ce que ledit élément mobile (2) est un enroulement métallique en forme de solénoïde indéformable suffisamment rigide pour prevenir le raclage de la paroi interne dudit tube échangeur, qui peut être mis en rotation permanente par le fluide circulant dans ledit tube d'échangeur (1), tandis que ledit système d'accrochage comprend un moyen de fixation extérieur audit tube échangeur et une liaison mécanique (4) permettant la libre rotation dudit élément mobile sur lui-meme, autour de l'axe dudit tube d'échangeur. 2.- Dispositif mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément mobile indéformable et rigide (2) en rotation permanente s'inscrit dans un cylindre fictif de diamètre d f tel que le rapport d gdt, dt désignant le diamètre du tube d'échangeur (1), est compris entre 0,1 et 0,9 et de préférence entre 0,5 et 0,9. 3.- Dispositif mécanique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément mobile est réalisé à partir d'une tige métallique qui, après usinage, se présente sous la forme d'un enroulement hélicoïdal rigide de pas, régulier ou non,compris entre 0,1 et 10 fois le diamètre dt du tube d'échangeur et,de préférence,entre 0,5 et 2 fois ce diamètre0 4.- Dispositif mécanique selon l'une des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que le mobile est fabrique à partir d'un matériau résistant à la température et aux chocs thermiques choisi dans le groupe constitué par le titane, l'aluminium, lancier ou certains alliages, ayant été ou non traité thermiquement pour augmenter sa rigidité. 5.-Dispositif mécanique selon l'une des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que le mobile est rendu rigide et indéformable par fixation de tiges rigides à la périphérie e l'enroulement métallique- 6.- Dispositif mécanique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la liaison mécanique comprend une articulation mécanique choisie dans le groupe constitué par des rotules (11, 13), des olives creuses (15) percées suivant leur plus grand axe de révolution et renfermant des têtes (17a, 17b) des extrémités libres (16a, 16b) dudit élement mobile et dudit moyen de fixation se mouvant indépendamment, des étriers (18) dont la partie (20) réunissant leurs branches est traversée par l'extrémité (2l)dudit élément mobile ou dudit moyen de fixation se mouvant librement, des tiges métalliques (24, 27) dont une extrémité est une tête ronde (23, 26) retenue par ou dans le moyen de fixation, l'autre extrémité étant reliée au mobile et tous les types de cardan. 7.- Procédé d'amélioration des transferts thermiques et de prévention contre l'encrassement dans les tubes d'échangeur, caractérisé en ce que l'on place à l'intérieur desdits tubes le dispositif mécanique rigide défini par les revendications 1 à 6, et que l'on fixe ledit dispositif au moyen de son ou ses systèmes d'accrochage, autorisant ainsi la rotation de l'élément mobile sous l'action du fluide circulant a en marche normale, dans lesdits tubes d'échangeur. 8.- Utilisation du dispositif mécanique décrit par les revendications 1 à 6 dans des tubes, et notamment dans des tubes d'échangeurs thermiques, parcourus par un fluide susceptible de l'encrasser0

Inventors: FREYCHET, DAVID, LOUTATY, ROBEN
Applicants: TOTAL FRANCE
Application year: 1985
Main classification: F28F13
IPC codes: F28F19, F28F13, B08B9, F28G3, F28F21