Development, study of performances and integration of thermal probes for fouling characterisation of tubular heat exchangers
Développement, étude de performances et intégration de sondes thermiques pour la caractérisation de l'encrassement d'échangeurs tubulaires à courants croisés
Résumé
Ever since the end of the 1970's, heat exchangers have known some new applications linked to the need of the energy expense optimisation. Fouling of such heat exchangers is one of the main causes of thermal efficiency decrease during their use. Indeed, fouling constitutes a major economic and technological problem where complex physical phenomena occur. In spite of the efforts displayed for these last decades, the existing detection and fouling follow up devices are still far from taking into account the heat transfer and the deposit phenomena involved. Thus, we decide in our study to elaborate a thermal sensor the most possible representative of industrial conditions in order to set up an efficient cleaning programme. To this end, two original localised and technologically simple sensors associated with a data processing adapted were developed. They enable to obtain quasi instantaneous accurate information on representative parameters of heat exchangers fouling degree by disturbing only very little the conditions to which they are subjected. Although the methods developed during this study are adaptable to other configurations, we have chosen in restrictive way to work on gas side particulate fouling of tubular heat exchangers. The first sensor, using a hot source probe, enable to accurately estimate not only the convective heat transfert coefficient but also the deposit thickness from a reliable transient state estimation method. The second sensor enable to accurately estimate the convective heat transfer coefficient angular distribution as well as the one of deposit thickness from a steady state estimation method. These two devices have now to be tested under real conditions of using by a systematic study in industrial processes. They represent predictive maintenance specified tools.
Depuis la fin des années 1970, les échangeurs de chaleur ont connu de nouvelles applications liées à la nécessité d'optimiser les dépenses énergétiques. L'encrassement de tels échangeurs est l'une des causes principales de leur perte d'efficacité thermique au cours de leur utilisation. En effet, l'encrassement constitue un problème économique et technologique majeur et fait intervenir des phénomènes physiques complexes. En dépit des efforts déployés depuis ces dernières décennies, les dispositifs de détection et de suivi de l'encrassement existants sont encore loin de renseigner sur le transfert de chaleur et de prendre en compte les phénomènes de dépôt mis en jeu. Ainsi, le parti pris de notre étude a été de concevoir un capteur thermique le plus représentatif possible des conditions d'utilisation réelles afin d'établir un programme d'entretien efficace. A cet effet, deux capteurs localisés originaux, d'une technologie simple, adjoints à un traitement des données adapté, ont été développés. Ne perturbant que très peu les conditions auxquelles ils sont soumis, ils permettent d'obtenir des informations précises quasi instantanées sur les paramètres représentatifs du degré d'encrassement des échangeurs. Bien que les méthodes développées lors de cette étude soient adaptables à d'autres configurations, le choix, incontestablement restrictif, de travailler sur l'encrassement particulaire des échangeurs tubulaires à courants croisés, a été fait. Le premier capteur, doté d'une excitation thermique interne, permet d'estimer non seulement le coefficient d'échange convectif mais aussi l'épaisseur du dépôt à partir d'une méthode d'estimation robuste en régime transitoire. Le second capteur permet d'estimer la répartition spatiale du coefficient d'échange convectif ainsi que celle de l'épaisseur de dépôt. Ces capteurs permettent d'envisager de nouvelles perspectives d'études in situ d'encrassement en milieu industriel. Ils constituent un outil privilégié de maintenance prédictive.
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