EP3097377B1

EP3097377B1 - Tube amélioré pour échangeur thermique

Info

Publication number: EP3097377B1
Application number: EP15704060.1A
Authority: EP
Inventors: Joël DUPRAT; Pascal SAUSSIER
Original assignee: Neotiss SAS
Current assignee: Neotiss SAS
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2022-04-20
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: FR3016689A1; KR20160121537A; JP6648036B2; EP3097377A1; FR3016689B1; WO2015107314A1; CN106104190A; US20160341491A1; RU2016129630A; JP2017503146A

Description

L'invention se rapporte à un élément pour un échangeur thermique de type industriel, en particulier un condenseur, du type comportant un corps généralement tubulaire.
Les condenseurs comportant de tels éléments, aussi dits "condenseurs à tubes", sont largement utilisés industriellement, notamment pour la production d'électricité. Un premier fluide, typiquement de l'eau à l'état liquide, est mis en circulation à l'intérieur d'une pluralité de tubes, tandis qu'un second fluide à l'état gazeux, généralement de la vapeur d'eau, est amené à proximité des tubes, extérieurement à ceux-ci. Il se produit alors un échange thermique entre les premier et second fluides, au travers de la paroi des tubes, lequel échange provoque la condensation du fluide à l'état gazeux.
Les condenseurs de type industriel doivent pouvoir condenser de grandes quantités de vapeur en un minimum de temps. Le volume de vapeur qu'ils sont capables de condenser par unité de temps caractérise en partie au moins leur performance. Pour ce faire, les condenseurs industriels sont généralement équipés de centaines de tubes, voire de milliers, de grande longueur, typiquement jusqu'à une vingtaine de mètres.
À l'origine, les condenseurs industriels étaient équipés des tubes lisses. Pour améliorer leurs performances, en particulier en ce qui concerne le débit de vapeur condensée, on a commencé à utiliser des tubes d'un type nouveau, dont le corps conserve sa forme généralement tubulaire, mais dont la paroi présente une forme torsadée s'étendant sur un segment au moins dudit corps. Cette forme torsadée de la paroi résulte en une surface extérieure présentant un relief bombé s'étendant de manière hélicoïdale le long du segment en question, et une rainure de forme correspondante sur la surface intérieure du corps. US2011/174469 , qui représente le document de l'état de la technique le plus proche de l'objet de la revendication 1, divulgue un élément d'échangeur thermique du type comprenant un corps tubulaire dont la paroi est en partie au moins délimitée par une surface interne et une surface externe, la paroi présentant une forme torsadée sur un segment au moins dudit corps, et la surface interne présentant au moins une rainure en correspondance de forme avec ladite paroi et s'étendant de manière hélicoïdale sur ledit segment.
Cette configuration particulière améliore sensiblement les échanges thermiques au niveau des tubes : d'une part, la forme torsadée confère à la paroi une surface de contact plus grande entre les fluides, à l'intérieur comme à l'extérieur des tubes ; d'autre part, elle provoque des turbulences dans le fluide qui s'écoule à l'intérieur des tubes, ce qui est globalement bénéfique pour les échanges thermiques au niveau des tubes. La forme torsadée améliore en outre l'évacuation des gouttes qui se forment sur la surface extérieure des tubes.
Dans la technique, les tubes présentant une configuration de ce type sont dits "corrugués", ou, plus justement, "munis de corrugations". Le pas de la torsade, aussi appelé pas de corrugation, est généralement supérieur à 20 millimètres.
La demanderesse a constaté que, de manière générale, les performances réelles des tubes corrugués, notamment en ce qui concerne leur aptitude à condenser un fluide à leur surface extérieure, sont assez nettement inférieures aux performances attendues.
L'invention vise à améliorer l'existant.
L'élément d'échangeur thermique proposé comporte les caractéristiques de la revendication 1.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-après, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 montre un schéma d'un échangeur thermique générique ;
la figure 2 est une vue en plan d'un élément de tube pour l'échangeur de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une portion de paroi d'un l'élément de tube pour l'échangeur de la figure 1 ;
la figure 4 représente une portion torsadée d'un élément de tube pour un échangeur thermique, vue en perspective et partiellement coupée.

Les dessins annexés contiennent des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à compléter la description de l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
On fait référence à la figure 1. Elle montre, de manière générique, un échangeur thermique de type industriel sous la forme d'un condenseur 1.
Le condenseur 1 comprend une pluralité de tubes élémentaires 3 maintenus les uns par rapport aux autres en un ou plusieurs faisceaux 5 par des plaques 7 réparties le long des tubes 3. Chaque plaque 7 se trouve ainsi traversée par chacun des tubes 3 du faisceau 5.
Le condenseur 1 comprend en outre une paire de boîtes collectrices 9 dans lesquelles débouchent respectivement les extrémités opposées de chacun des tubes 3.
L'une des boîtes 9 est en communication fluidique avec une arrivée de fluide 11, tandis que l'autre de ces boîtes 9 est communication fluidique avec une sortie de fluide 13.
L'arrivée 11 et la sortie 13 peuvent être raccordées au reste d'un circuit dans lequel circule un premier fluide. Typiquement, le premier fluide pénètre dans le condenseur 1 par l'arrivée 11 sous forme liquide. Il circule de la boîte collectrice 9 correspondante jusqu'à l'autre boîte collectrice à l'intérieur des tubes 3, en une ou plusieurs passes. De là, le premier fluide quitte le condenseur 1 pour le reste du circuit par la sortie 13.
Le faisceau 5 de tubes 3 est logé dans une enceinte 15 ménagée à l'intérieur de ce que l'on appelle une calandre 17 dans la technique. La calandre 17 est équipée d'une entrée de fluide 19 et d'une sortie de fluide 21 qui débouchent dans l'enceinte 15.
L'entrée 19 et la sortie 21 permettent de raccorder le condenseur 1 à un circuit dans lequel circule un second fluide.
Le second fluide pénètre dans l'enceinte 15 par l'entrée 19 sous forme gazeuse. Au contact des tubes 3, le second fluide échange de la chaleur avec le premier fluide en circulation à l'intérieur de ces tubes. Le premier fluide étant généralement introduit à une température inférieure à celle du second fluide, ce dernier condense à la surface extérieure des tubes 3. Le second fluide sous forme liquide quitte l'enceinte 15 par la sortie 21.
Des condenseurs du type du condenseur 1 sont largement utilisés dans la production industrielle d'électricité. Il s'agit en particulier de condenser de la vapeur d'eau au moyen d'eau froide en circulation à l'intérieur des tubes. Pour ce faire, on utilise des tubes de grande longueur, jusqu'à une vingtaine de mètres chacun.
On fait référence à la figure 2. Elle montre un élément de tube TE qui peut être utilisé dans un condenseur du type du condenseur 1.
L'élément de tube TE comprend un corps BDY en forme générale de cylindre creux allongé, ou tubulaire, de longueur TL. Le corps BDY présente deux sections longitudinales d'extrémité ES1 et ES2 raccordées l'une à l'autre par une section centrale CS de longueur CL. La longueur TL correspond à la longueur totale de l'élément tubulaire TE, y compris la section centrale CS et les sections terminales ES1 et ES2.
Les sections d'extrémité ES1 et ES2 sont généralement cylindriques, de diamètre extérieur TOD. Le diamètre TOD correspond au diamètre extérieur nominal de l'élément TE, tel qu'il est habituellement désigné dans la technique. Les sections terminales ES1 et ES2 présentent chacune une surface extérieure et une surface intérieure lisses.
La section centrale CS présente une paroi qui s'étend le long du corps en torsade, ou de manière hélicoïdale, ou encore en hélicoïde, en formant des spires LP autour de l'axe longitudinal LA de l'élément de tube TE. Ici, les spires LP sont jointives.
Il résulte de cette conformation torsadée de la paroi de l'élément TE une surface extérieure qui, sur la longueur de la section centrale CS, présente un relief en hélice, fait de creux et bosses. Ce relief est de nature à améliorer les capacités d'échange thermique de l'élément TE, du fait que la surface extérieure de celui-ci est alors plus étendue que celle d'un tube lisse de même diamètre extérieur. En outre, il améliore l'évacuation des gouttes qui se forment à la surface extérieure de l'élément TE. La section centrale CS conserve une allure générale de cylindre creux, présentant un diamètre extérieur COD.
On fait référence aux figures 3 et 4. Elles font apparaître, de manière générique, une portion torsadée CW de la paroi et un paramétrage de cette forme torsadée. Il résulte de la forme torsadée de la paroi CW une surface interne IS présentant un relief fait de crêtes et de creux, en correspondance de forme avec les creux et bosses, respectivement de la surface externe OS. Vu autrement, la surface interne IS est munie d'une rainure qui s'étend selon une hélice à spires jointives le long de la section CS. Vu encore autrement, la surface interne IS présente une forme d'hélicoïde.
Ce relief est de nature à améliorer les capacités d'échange thermique de l'élément TE, du fait de la génération de tourbillons dans le fluide qui s'écoule à l'intérieur de l'élément TE.
La paroi torsadée CW présente une épaisseur TT. L'épaisseur TT correspond à l'épaisseur nominale de l'élément TE, c'est-à-dire à l'épaisseur de la paroi du tube lisse à l'origine de l'élément TE. La section centrale CS présente un diamètre intérieur CID. Le diamètre CID correspond au diamètre d'un calibre tout juste capable de traverser intérieurement l'élément TE.
La section torsadée CS présente un diamètre extérieur COD qui correspond au diamètre extérieur nominal de l'élément TE sur la section torsadée CS, c'est-à-dire au diamètre d'une surface d'enveloppe cylindrique de cette section.
La forme de torsade présente un pas CP, le cas échéant considéré à l'intérieur de l'élément tabulaire. La profondeur CD de la rainure interne issue de la forme torsadée est considérée par rapport à une surface d'enveloppe interne de l'élément tubulaire, ou, vu autrement, comme la distance radiale entre le fond des creux de 1a surface interne IS et le sommet des crêtes.
Bien que non représentée sur les figures, on peut noter TID la dimension qui correspond au diamètre intérieur nominal du tube, tel qu'il est habituellement désigné dans la technique, c'est-à-dire ici le diamètre intérieur nominal des sections terminales lisses ES1 et ES2.
Selon un aspect général de l'invention, l'élément de tube TE présente, sur la section torsadée CS, un diamètre extérieur nominal COD compris entre 18 et 30 millimètres. Le pas CP de la torsade est inférieur à 3,5 millimètres. La profondeur CD est telle que le rapport du pas CP élevé à une puissance R réelle comprise entre 1,5 et 2,5 sur la profondeur CD, que l'on appelle rapport de forme FR, demeure inférieur à une valeur plafond TV. En particulier, la valeur plafond TV est voisine de 24. En particulier, la puissance R est voisine de 1,7. Autrement dit, la profondeur CD vérifie les conditions COND1, COND2 et COND3 énoncées ci-dessous : $FR = {CP}^{\land} R / CD$
$FR < 24$
$1,5 < R < 2,5, et en particulier R = 1,7$

Les tableaux 1A et 1B ci-dessous rassemblent des données caractéristiques de la section torsadée CS pour des éléments de tube TE selon trois variantes de réalisation de l'invention (tableau 1A), et deux exemples de réalisation (tableau 1B). Les dimensions y sont exprimées en millimètre. À chaque fois, les éléments de tube conformes à ces variantes de réalisation sont tels qu'ils vérifient les conditions COND1, COND2 et COND3, en particulier avec R = 1,7.

Tableau 1A :

	Variante 1	Variante 2	Variante 3
TOD	19,05	22,22	25,40
COD	18,90	22,07	25,25
TT	0,5	0,5	0,5
CP	entre 2 et 3,5	entre 2 et 3,5	entre 2 et 3,5
CD	entre 0,15 et 0,3	entre 0,15 et 0,3	entre 0,2 et 0,3

Tableau 1B :

	Exemple 1	Exemple 2
TOD	19,05	22,22
COD	18,90	22,07
TT	0,5	0,5
CP	2	2,5
CD	0,16	0,25

Les tableaux 1A et 1B font apparaître que la partie torsadée des tubes selon l'invention présente un pas très réduit, inférieur à 3,5 millimètres, et de préférence inférieur à 3 millimètres, par rapport aux valeurs de pas classiquement utilisées dans les tubes à corrugations, typiquement supérieures à 20 millimètres. Dès lors, les tubes selon l'invention se distinguent des tubes classiques en ce que la section torsadée présente une forme qui ressemble à une spirale.
Le tableau 2 ci-dessous rassemble des caractéristiques dimensionnelles se rapportant à un jeu d'éléments de tube (référencés I, ..., XII) présentant chacun une section centrale torsadée. Les éléments de tubes se distinguent les uns des autres par le profil de leur section torsadée respective, caractérisé par des valeurs de pas CP et de profondeur CD différentes les unes des autres. Des dimensions absentes du tableau 2 sont communes aux tubes I à XIV. En particulier, les éléments de tube présentent tous un diamètre extérieur de 22,22 millimètres et une épaisseur de paroi de 0,5 millimètre. Les tubes sont réalisés en titane grade 2.
Les valeurs de pas CP et de profondeur CD sont exprimées en millimètres.

On a fait également apparaître, dans le tableau 2, les valeurs correspondantes du rapport de forme FR, calculé pour une valeur de puissance R de 1,7.

Tableau 2 :

	CP	CD	FR
I	2,0	0,14	23,21
II	2,3	0,19	21,92
III	2,5	0,25	18,84
IV	3,1	0,17	39,44
V	3,2	0,39	18,06
VI	3,3	0,24	31,83
VII	3,3	0,32	24,16
VIII	3,3	0,44	17,57
IX	4,2	0,47	24,42
X	4,3	0,49	23,96
XI	4,8	0,40	36,47
XII	4,9	0,64	23,24
XIII	1,3	0,04	39
XIV	1,5	0,06	33

Dans ce tableau 2, les éléments de tube II, III, sont conformes à la variante de réalisation 2. L'élément tubulaire III est par ailleurs conforme à l'exemple de réalisation 2. En outre, les éléments I, II, III, V, et VIII sont conformes à l'invention en ce qu'ils présentent des valeurs de pas CP inférieures à 3,5 millimètres et vérifient en outre les conditions COND1, COND2 et COND3.
Les éléments de tube IV et VI présentent des dimensions conformes à la variante de réalisation 2, à l'exception qu'ils ne vérifient pas les conditions COND1 à COND3.
L'élément de tube X vérifie les conditions COND1, COND2 et COND3 avec R = 1,7.
Le tableau 3 ci-dessous rassemble les résultats de mesures de capacité d'échange thermique effectuées sur les éléments du tableau 2.

Dans le tableau 3, le coefficient K représente une capacité d'échange thermique mesurée pour l'élément de tube considéré. Le coefficient K y est exprimé en Watt par mètres carrés et par Kelvin (W.m^-2.K^-1). La valeur HER, exprimée en pour cent, correspond à l'amélioration de la valeur de K pour l'élément considéré par rapport à un élément lisse présentant des dimensions analogues par ailleurs.

Tableau 3 :

	K	HER
I	7901	50%
II	7646	45%
III	8098	54%
IV	6669	26%
V	8599	63%
VI	6771	28%
VII	6778	29%
VIII	7912	50%
IX	6659	26%
X	8081	53%
XI	6553	24%
XII	7698	46%
XIII	6473	23%
XIV	6007	13%

Le tableau 3 fait apparaître que le respect des conditions COND1, COND2 et COND3 est généralement associé à une augmentation sensible des performances d'échange thermique. Les lignes correspondant aux éléments de tube I, II, III, V, VIII, X et XII présentent des valeurs du coefficient K supérieures d'au moins 45 % à la valeur de référence pour un tube lisse (5272 W.m^-2.K^-1). La comparaison dans le tableau 2 des lignes VII et X d'une part, et des lignes I et XIII et XIV d'autre part, fait également apparaître une augmentation de faible importance des performances d'échange thermique dès que le rapport FR dépasse la valeur plafond de 24. Lorsque le rapport FR est supérieur à la valeur plafond, l'augmentation des performances d'échange thermique par rapport à un tube lisse est généralement inférieure à 30%.
Le tableau 3 prouve que les éléments tubulaires conformes à l'invention ont des capacités de transfert thermique grandement améliorées en comparaison des éléments lisses d'une part, et des éléments dont la section torsadée s'écarte du profil prévu par l'invention.
Le tableau 4 ci-dessous rassemble les résultats de mesures réalisées sur les éléments de tube du tableau 2.
Le tableau 4 rassemble également les valeurs du coefficient dit de Darcy, ou Darcy-Weisbach, pour les tubes considérés, ainsi que l'accroissement DCR de la valeur de ce coefficient par rapport à un tube de référence lisse. Le coefficient Darcy correspond à un coefficient de perte de charge. Cette grandeur sans dimension représente l'influence du type d'écoulement (laminaire ou turbulent) et de l'aspect d'une conduite (lisse ou rugueux) sur la perte de charge. Ici, le coefficient DARCY est calculé pour un débit de 2,5 mètres cube par heure.

Une augmentation de la valeur DARCY est globalement défavorable aux performances d'un élément de tube au sein d'un condenseur. En particulier, une augmentation de la valeur DARCY implique une augmentation de la consommation énergétique nécessaire à la circulation du fluide à l'intérieur des tubes Autrement dit, l'augmentation de la valeur DARCY nuit à la condensation de la vapeur d'eau sur l'extérieur de l'élément tubulaire à consommation énergétique constante.

Tableau 4 :

	DARCY	DCR
I	0,032487593	48%
II	0,032098063	46%
III	0,032823286	49%
IV	0,052203857	129%
V	0,054736888	140%
VI	0,043978584	95%
VII	0,038960463	74%
VIII	0,050991452	124%
IX	0,071932623	211%
X	0,068924461	199%
XI	0,052814985	132%
XII	0,073328679	217%
XIII	0,029523637	41%
XIV	0,03016296	44%

Le tableau 4 montre de manière générale que les tubes conformes à l'invention présentent une augmentation sensible de la valeur DARCY. Toutefois, cette augmentation reste limitée (inférieure à 140 et moindre que pour certains tubes non conformes à l'invention, comme l'indique une comparaison avec les lignes X et XII). D'autre part, l'augmentation relative du coefficient de DARCY est très faible (voisine, voire inférieure, à 100%) pour les éléments conformes à la seconde variante de réalisation (tubes II et III) et pour le tube I, en comparaison des autres tubes testés. Les tubes de la seconde variante de réalisation et le tube I présentent une augmentation de la valeur DARCY très nettement inférieure aux autres.
Il résulte de ce qui précède que les tubes présentant une section torsadée conforme à l'invention sont susceptibles de performances grandement améliorées en qui concerne leur capacité à faire se condenser un gaz en circulation extérieurement. Ces performances améliorées sont consécutives d'une forme de torsade qui améliore grandement les capacités d'échange thermique et limite de manière sensible les effets de perte de charge.
La comparaison des exemples I à II aux exemples XIII et XIV met en avant que la diminution du pas permet de diminuer la valeur DARCY mais que le respect des conditions COND1, COND2, COND3 permet d'obtenir une performance d'échange thermique améliorée.
En outre, les tubes conformes aux variantes de réalisation 1 à 3, et aux exemples 1 et 2, sont susceptibles de présenter des performances de condensation encore accrues du fait de capacités d'échange thermique comparables aux autres tubes selon l'invention et de pertes de charges sensiblement restreintes par rapport à ces tubes.
À partir du mode de réalisation général de l'invention, et sur la base de tests dont les résultats sont en partie au moins mentionnés dans les tableaux 2 à 3, il est considéré que les caractéristiques ci-dessous, qui sont optionnelles, complémentaires ou de substitution, sont susceptibles d'améliorer encore les performances de condensation d'un tube :
Le diamètre extérieur du tube TOD est compris entre 19 et 26 millimètres, de préférence entre 20 et 26 millimètres, et plus préférentiellement encore entre 20 et 23 millimètres. En particulier, le diamètre extérieur TOD est voisin de 19,05 millimètres, 22,22 millimètres, ou de 25,4 millimètres.
Le diamètre extérieur COD de la partie torsadée est compris entre 18 et 26 millimètres, de préférence entre 20 et 26 millimètres, plus préférentiellement encore entre 20 et 23 millimètres. En particulier, le diamètre COD est voisin de 18,90 millimètres, de 22,07 ou de 25,25 millimètres.
Le pas CP est strictement supérieur à 2 millimètres. Il est inférieur à 3 millimètres.
L'épaisseur TT de la paroi CW du tube est comprise entre 0,4 et 1 millimètre, par exemple de l'ordre de 0,5 millimètre.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrit ci-avant, mais englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art.

Claims

Élément (TE) de condenseur de type industriel comprenant un corps tubulaire (BDY) en titane grade 2, destiné à une circulation d'eau liquide à l'intérieur, dont la paroi (CW) est en partie au moins délimitée par une surface interne (IS) et une surface externe (OS), la paroi (CW) présentant une forme torsadée sur un segment (CS) au moins dudit corps (BDY), et la surface interne (IS) présentant au moins une rainure en correspondance de forme avec ladite paroi (CW) et s'étendant de manière hélicoïdale sur ledit segment (CS), tel que, sur ledit segment (CS), la surface externe (OS) présente un diamètre (COD) compris entre 18 et 30 millimètres, tandis que la rainure présente un pas (CP) inférieur à 3,5 millimètres et une profondeur (CD) telle que le rapport du pas (CP) à une puissance réelle comprise entre 1,5 et 2,5 sur la profondeur (CD) soit inférieure à une valeur plafond, voisine de 24, ladite profondeur (CD) étant comprise entre 0,05 millimètre et 0,6 millimètre, en particulier supérieure à 0,15 millimètre.
Élément selon la revendication 1, dans lequel la puissance réelle est voisine de 1,7.
Élément selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le corps (BDY) présente, sur ledit segment (CS) au moins, un diamètre extérieur (COD) compris entre 18 et 26 millimètres, de préférence entre 20 et 26 millimètres, plus préférentiellement encore entre 20 et 23 millimètres.
Élément selon la revendication 3, dans lequel le corps (BDY) présente, sur ledit segment (CS) au moins, un diamètre extérieur (COD) voisin de 18,90, 22,07 ou 25,25 millimètres.
Élément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit pas (CP) est strictement supérieur à 2 millimètres.
Élément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit pas (CP) est inférieur à 3 millimètres.
Élément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la paroi (CW) présente une épaisseur comprise entre 0,4 et 1 millimètre, de préférence voisine de 0,5 millimètre, sur une partie au moins dudit segment (CS).
Échangeur thermique comprenant au moins un élément selon l'une des revendications précédentes.