FR3039888A1 - Echangeur comprenant des canaux presentant une faible epaisseur de paroi entre eux - Google Patents

Abstract

Echangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisé en ce que : - ledit échangeur est une pièce ne présentant pas d'interfaces d'assemblages entre les différents étages, et - les canaux de la zone de canaux millimétriques sont séparés par des parois d'une épaisseur inférieure à 3 mm.

Description

La présente invention est relative aux échangeurs et à leur procédé de fabrication.

Plus précisément, il est question d'échangeurs millistructurés mis en œuvre dans des procédés industriels qui nécessitent le fonctionnement de ces appareils dans les conditions suivantes : (i) - Un couple température/pression élevée, (ii) - Des pertes de charges minimales et (iii) - des conditions qui permettent une intensification du procédé comme, l'utilisation d'un échangeur à plaques compact pour préchauffer de l'oxygène utilisé dans le cadre d'un procédé d'oxycombustion.

Par la suite, on entendra : (i) - Par « étage », un ensemble de canaux positionnés sur un même niveau et dans lequel se produit un échange thermique, (ii) - Par « paroi », une cloison de séparation entre deux canaux consécutifs disposés sur un même étage, (iii) - Par « distributeur » ou « zone de distribution », un volume relié à un ensemble de canaux et disposé sur un même étage et dans le/laquel(le) circule des réactifs acheminés de l'extérieur de l'échangeur vers un ensemble de canaux et (iv) - Par «collecteur», un volume relié à un ensemble de canaux et disposé sur un même étage et dans lequel circule les produits de la réaction acheminés de l'ensemble de canaux vers l'extérieur de l'échangeur.

Les canaux des échangeurs millistructurés peuvent eux être remplis de formes solides comme des mousses, dans le but d'améliorer les échanges de chaleur. L'intégration thermique de ces appareils peut faire l'objet d'optimisations poussées permettant d'optimiser les échanges de chaleur entre les fluides circulant dans l'appareil à différentes températures grâce à une distribution spatiale des fluides sur plusieurs étages et l'utilisation de plusieurs distributeurs et collecteurs. Par exemple, les échangeurs millistructurés proposés pour le préchauffage de l'oxygène dans un four de verre sont composés d'une multitude de passages millimétriques disposés sur différents étages et qui sont formées grâce à des canaux liés les uns aux autres. Les canaux peuvent être alimentés en fluides chauds par exemple à une température comprise entre environ 700°C et 950°C par un ou plusieurs distributeurs. Les fluides refroidis et chauffés sont acheminés en dehors de l'appareil par un ou plusieurs collecteurs.

Pour tirer pleinement partie bénéfice de l'utilisation d'un échangeur millistructuré dans les procédés industriels visés, ces équipements doivent posséder les propriétés suivantes : - Ils doivent pouvoir travailler à un produit « pression x température » élevé généralement supérieur ou égal à environ de l'ordre de 12.108Pa.°C (12 000 bar.°C), ce qui correspond à une température supérieure ou égale à 600°C et une pression supérieure à 20.105Pa (20 bar); - Ils doivent se caractériser par un rapport surface sur volume inférieur ou égal à environ 40.000m2/m3 et supérieur ou égal à environ 700m2/m3, pour permet l'intensification des phénomènes aux parois et en particuliers le transfert thermique ; et - Ils doivent permettre une température d'approche très faible, c'est-à-dire inférieure à 10°C et typiquement à 5°C et plus préférentiellement à 2°C entre les fluides chauds et les fluides froids.

Plusieurs équipementiers proposent des échangeurs millistructurés. La majorité de ces appareils se composent de plaques constituées de canaux qui sont obtenus par usinage chimique par aspersion. Cette méthode de fabrication conduit à l'obtention de canaux dont la section à une forme qui s'approche d'un demi-cercle et dont les dimensions sont approximatives et non exactement reproductibles d'un lot de fabrication à un autre à cause du procédé d'usinage en lui-même. En effet, lors de l'opération d'usinage chimique, le bain utilisé est pollué par les particules métalliques arrachées des plaques et bien que ce dernier soit régénéré, il est impossible pour des raisons de coût d'opération de maintenir une même efficacité lors de la fabrication d'une grande série de plaque. Par la suite, on entendra par « section semi-circulaire » la section d'un canal dont les propriétés souffrent des limites dimensionnelles décrites précédemment et induites par les méthodes de fabrication telles que le gravage chimique et l'emboutissage. Même si cette méthode de fabrication de canal n'est pas intéressante d'un point de vue économique, on pourrait imaginer que les canaux constituants les plaques soient fabriqués par usinage traditionnel. Dans ce cas, la section de ces derniers ne serait pas de type semi-circulaire mais rectangulaire, on parlera alors de « section rectangulaire ».

Par analogie, ces méthodes de fabrication peuvent également être utilisées pour la fabrication de la zone de distribution ou du collecteur, leur conférant ainsi des priorités géométriques analogues à celles des canaux comme : (i) - L'obtention d'un rayon entre le fond du canal et ses parois pour la fabrication par usinage chimique ou emboutissage et de dimension sont non reproductible d'un lot de fabrication à l'autre, ou encore (ii) - L'obtention d'un angle droit pour la fabrication par usinage traditionnel.

Les plaques constituées de canaux de sections semi-circulaires ou à angle droit ainsi obtenues sont généralement assemblées entre elles par soudage diffusion ou brasage diffusion.

Le dimensionnement de ces appareils à section semi-circulaire ou rectangulaire repose sur l'application de l'ASME (American Society of Mechanical Engineers) section VIII div.l appendice 13.9 qui intègre la conception mécanique d'un échangeur millistructuré composé de plaques gravées. Les valeurs à définir pour obtenir la tenue mécanique souhaitée sont indiquées en figure 1. Le dimensionnement de la zone de distribution et du collecteur est réalisé par calcul par éléments finis car le code ASME ne prévoit pas de dimensionnement analytique de ces zones.

La fabrication de ces échangeurs millistructurés est actuellement réalisée selon les sept étapes décrites par la Figure 2. Parmi ces étapes, quatre sont critiques car elles peuvent engendrer des problèmes de non-conformité ayant comme seule issue la mise au rebut de l'échangeur ou des plaques constituant l'appareil à pression si cette non-conformité est détectée suffisamment tôt dans la ligne de fabrication de ces appareils.

Ces quatre étapes sont : - L'usinage chimique des canaux, - L'assemblage des plaques gravées par brasage diffusion ou soudage diffusion, - Le soudage des têtes de connexion, sur lesquels des tubes soudés viennent alimenter ou évacuer les fluides, sur les zones de distribution et les collecteurs et enfin, - Les opérations de revêtement d'une couche de protection et/ou de catalyseur dans le cas d'un échangeur soumis à une utilisation induisant des phénomènes qui peuvent dégrader l'état de surface de l'appareil.

Quelle que soit la méthode d'usinage utilisée pour la fabrication d'échangeurs millistructurés, on obtient des canaux de section semi-circulaire dans le cas de l'usinage chimique (Figure 3) et qui se composent de deux angles droits ou de section rectangulaire dans le cas de l'usinage traditionnel et qui se composent de quatre angles droits. Cette pluralité d'angles est préjudiciable à l'obtention d'un revêtement de protection homogène sur toute la section. En effet, les phénomènes de discontinuités géométriques tels que des angles, augmentent la probabilité de générer des dépôts inhomogènes, ce qui conduira inévitablement à l'initiation de phénomènes de dégradation de l'état de surface de la matrice dont on veut se préserver comme par exemple des phénomènes de corrosion, de carburation ou de nitruration. Les sections de canaux angulaires obtenus par les techniques d'usinage chimique ou d'usinage traditionnel ne permettent pas d'optimiser la tenue mécanique d'un tel assemblage. En effet, les calculs de dimensionnement en tenue à la pression de telles sections ont pour conséquence une augmentation des épaisseurs de parois et de fond de canal, l'équipement perdant ainsi de sa compacité mais également de son efficacité en termes de transfert thermique.

De plus, l'usinage chimique impose des limitations en termes de formes géométriques telles que l'on ne peut avoir de canal ayant une hauteur plus importante ou égale à sa largeur, ce qui conduit à des limitations du rapport surface / volume entraînant des limitations d'optimisation. L'assemblage des plaques gravées par soudage diffusion est obtenu par l'application d'une contrainte uni-axiale importante (typiquement de l'ordre de 2MPa à 5MPa) sur la matrice constituée d'un empilement de plaques gravées et exercée par une presse à haute température pendant un temps de maintien de plusieurs heures. La mise en œuvre de cette technique est compatible avec la fabrication d'appareils de petites dimensions comme par exemple des appareils contenus dans un volume de 400mm x 600mm. Au-delà de ces dimensions, la force à appliquer pour maintenir une contrainte constante devient trop importante pour être mise en œuvre par une presse à haute température.

Certains fabricants utilisant le procédé de soudage diffusion pallient aux difficultés de mise en œuvre d'une contrainte importante par l'utilisation d'un montage dit auto-bridant. Cette technique ne permet pas de contrôler efficacement de la contrainte appliquée à l'équipement ce qui génère des écrasements de canaux. L'assemblage des plaques gravées par brasage diffusion est obtenu par l'application d'une contrainte uni-axiale faible (typiquement de l'ordre de 0,2MPa) exercée par une presse ou un montage auto-bridant à haute température et pendant un temps de maintien de plusieurs heures à la matrice constituée des plaques gravées. Entre chacune des plaques, un métal d'apport de brasage est déposé selon des procédés de dépôt industriels qui ne permettent pas de garantir la parfaite maîtrise de cette dépose. Ce métal d'apport à pour but de diffuser dans la matrice lors de l'opération de brasage de manière à réaliser la jonction mécanique entres les plaques.

De plus, durant le maintien en température de l'équipement en fabrication, la diffusion du métal de brasage ne peut être contrôlée, ce qui peut conduire à des jonctions brasées discontinues et qui ont pour conséquence une dégradation de la tenue mécanique de l'équipement. A titre d'exemple, les équipements fabriqués selon le procédé de brasage diffusion et dimensionnés selon l'ASME section VIII div.l appendice 13.9 en HR120 que nous avons réalisés, n'ont pas résistés à l'application d'une pression de 840.105Pa (840 bar) lors du test d'éclatement. De manière à palier cette dégradation, l'épaisseur des parois et la géométrie de la zone de distribution ont été adaptés afin d'augmenter la surface de contact entre chaque plaque. Ceci à pour conséquence de limiter le rapport surface / volume, d'augmenter la perte de charge et la mauvaise distribution dans les canaux de l'équipement.

De plus, le code ASME section VIII div.l appendice 13.9 utilisé pour le dimensionnement de ce type d'équipement brasé n'autorise pas l'utilisation de la technologie de brasage diffusion pour des équipements mettant en œuvre des fluides contenant un gaz létal tel que le monoxyde de carbone par exemple. Ainsi, un appareil assemblé par brasage diffusion ne peut pas être utilisé pour la production de Syngas.

Les équipements fabriqués par brasage diffusion se composent «in fine» d'un empilement de plaques gravées entres lesquelles sont disposés des joints brasés. De ce fait, toute opération de soudage sur les faces de cet équipement conduit dans la majorité des cas à la destruction des joints brasés dans la zone affectée thermiquement par l'opération de soudage. Ce phénomène se propage le long des joints brasés et conduit dans la plus part des cas à la rupture de l'assemblage. Pour palier à ce problème, il est parfois proposer d'ajouter des plaques épaisses de renfort au moment de l'assemblage de la matrice brasée de manière à offrir un support de type cadre au soudage des connecteurs qui ne présente pas de joint brasé. D'un point de vue intensification de procédé, le fait d'assembler entres-elles des plaques gravées, oblige à réaliser une conception de l'équipement selon une approche en deux dimensions ce qui limite l'optimisation thermique au sein de l'échangeur en obligeant les concepteurs de se type d'équipement à se limiter à une approche en étage de la distribution des fluides. D'un point de vue éco-fabrication, toutes ces étapes de fabrication étant réalisées par différentes compétences métiers sont en générale effectuées chez divers sous-traitants situés à des emplacements géographiques différents. Il en résulte des délais de réalisation longs et de nombreux transports de pièces.

La présente invention se propose de résoudre les inconvénients liés aux méthodes de fabrication actuelles.

Une solution de la présente invention est un échangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisé en ce que : - ledit échangeur est une pièce ne présentant pas d'interfaces d'assemblages entre les différents étages, et - les canaux de la zone de canaux millimétriques sont séparés par des parois d'une épaisseur inférieure à 3 mm.

Par canaux millimétriques on entend des canaux dont le diamètre hydraulique est de l'ordre du millimètre, autrement dit inférieur à 1 cm. De préférence dans le cas présent, les canaux millimétriques présenteront un diamètre hydraulique, défini comme le rapport entre 4 fois la section passante sur le périmètre mouillé, compris entre 0.3 mm et 4 mm et une longueur comprise entre 10 mm et 1000 mm.

Selon le cas l'échangeur selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les canaux de la zone de canaux millimétriques sont séparés par des parois d'une épaisseur inférieure à 2 mm, de préférence inférieure à 1,5 mm ; - les sections des canaux millimétriques sont de forme circulaire.

La présente invention a également pour objet l'utilisation d'une méthode de fabrication additive pour la fabrication d'un échangeur selon l'invention.

De manière préférentielle, la méthode de fabrication additive met en œuvre : - Comme matière de base au moins une poudre métallique de taille micrométrique, et/ou - Comme source d'énergie au moins un laser.

En effet, la méthode de fabrication additive peut mettre en œuvre des poudres métalliques de taille micrométrique qui sont fondues par un ou plusieurs lasers afin de fabriquer des pièces finies de formes complexes en trois dimensions. La pièce se construit couche par couche, les couches sont de l'ordre de 50pm, selon la précision des formes souhaitées et le taux de dépôt voulu. Le métal à fondre peut être apportée soit par lit de poudre ou soit par une buse d'aspersion. Les lasers utilisés pour fondre localement la poudre sont soit des lasers YAG, fibres ou C02 et la fusion des poudres s'effectue sous gaz inerte (Argon, Hélium, etc...). La présente invention ne se limite pas à une seule technique de fabrication additive mais elle s'applique à l'ensemble des techniques connues.

Contrairement aux techniques d'usinage chimique ou d'usinage traditionnel, la méthode de fabrication additive permet de réaliser des canaux de section cylindrique qui ont comme avantages (Figure 4) : (i) - D'offrir une meilleure tenue à la pression et ainsi de permettre une réduction significative de l'épaisseur des parois des canaux, et (ii) - D'autoriser l'utilisation de règles de dimensionnent d'appareils à pression qui ne nécessitent pas la réalisation d'un test d'éclatement pour prouver l'efficacité de la conception comme c'est la cas pour la section VIII div.l appendice 13.9 du code ASME.

En effet, la conception d'un échangeur réalisé par fabrication additive, permettant de réaliser des canaux à section cylindrique, s'appuie sur des règles de dimensionnement « usuelles » d'appareil à pression qui s'appliquent aux dimensionnement des canaux, des distributeurs et des collecteurs à sections cylindriques constituants l'échangeur millistructuré.

La réduction du volume de matière liés à la réduction de l'épaisseur des parois permet (i) soit de réduire l'encombrement de l'appareil à capacité de production identique par le fait que le nombre de canaux nécessaires pour atteindre la capacité de production visée est moindre et occupe ainsi moins d'espace, (ii) soit d'augmenter la capacité de production de l'appareil en conservant l'encombrement de ce dernier ce qui permet de positionner plus de canaux et ainsi de traiter un plus gros débit de fluides.

De plus, dans le cas d'échangeur millistructurés réalisés en alliage noble fortement chargé en nickel, la réduction de matière nécessaire va dans le sens d'une éco-conception bénéfique pour l'environnement tout en réduisant le coût en matières premières.

Les techniques de fabrication additive permettent in fine d'obtenir des pièces dites « massives » qui à contrario des techniques d'assemblages telles que le brasage diffusion ou le soudage diffusion ne présentent pas d'interfaces d'assemblages entre chaque plaque gravée. Cette propriété va dans le sens de la tenue mécanique de l'appareil en éliminant par construction la présence de lignes de fragilisation et en éliminant par la-même une source de défaut potentiel. L'obtention de pièces massives par fabrication additive et l'élimination des interfaces de brasage ou de soudage diffusion permet d'envisager de nombreuses possibilités de design sans se limiter à des géométries de parois étudiées pour limiter l'impact d'éventuels défauts d'assemblage tels que des discontinuités dans le joints brasés ou dans les interfaces soudées-diffusées.

La fabrication additive permet de réaliser des formes inenvisageables par les méthodes de fabrication traditionnelles et ainsi la fabrication des connecteurs des échangeurs millistructurés peut se faire dans la continuité de la fabrication du corps des appareils. Ceci permet alors de ne pas réaliser d'opération de soudage des connecteurs sur le corps et ainsi d'éliminer une source d'altération de l'intégrité structurelle de l'équipement.

La maîtrise de la géométrie des canaux par fabrication additive autorise la réalisation de canaux à section circulaire ce qui, outre la bonne tenue en pression que cette forme amène, permet aussi d'avoir une forme de canaux optimale pour le dépôt de revêtements de protection et de catalyseurs qui sont ainsi homogènes tout au long des canaux.

En utilisant cette technologie de fabrication additive, l'aspect gain de productivité est également permis par la réduction du nombre d'étape de fabrication. En effet, les étapes de réalisation d'un réacteur en intégrant la fabrication additive passent de sept à quatre (figure 5). Les étapes critiques, pouvant générer une mise au rebut d'un appareil complet ou des plaques constituant le réacteur, au nombre de quatre en utilisant la technique de fabrication classique par assemblage de plaques gravées chimiquement, passent à deux avec l'adoption de la fabrication additive. Ainsi, les seules étapes restantes étant l'étape de fabrication additive et l'étape de dépôt de revêtements et de catalyseurs. A titre d'exemple, un échangeur selon l'invention peut être utilisé dans un procédé d'oxycombustion pour préchauffer de l'oxygène.

Claims (8)

1. Revendications

   1. Echangeur comprenant au moins 3 étages avec sur chaque étage au moins une zone de canaux millimétriques favorisant les échanges de chaleur et au moins une zone de distribution en amont et/ou en aval de la zone de canaux millimétriques, caractérisé en ce que : - ledit échangeur est une pièce ne présentant pas d’interfaces d’assemblages entre les différents étages, et - les canaux de la zone de canaux millimétriques sont séparés par des parois d’une épaisseur inférieure à 3 mm.
2. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux de la zone de canaux millimétriques sont séparés par des parois d’une épaisseur inférieure à 2 mm, de préférence inférieur à 1,5 mm.
3. 3. Echangeur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les sections des canaux millimétriques sont de forme circulaire.
4. 4. Utilisation d’une méthode de fabrication additive pour la fabrication d’un échangeur tel que défini dans l’une des revendications 1 à 3.
5. 5. Utilisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive met en œuvre comme matière de base au moins une poudre métallique de taille micrométrique.
6. 6. Utilisation selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive est utilisée pour la fabrication des connecteurs de l’échangeur.
7. 7. Utilisation selon l’une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la méthode de fabrication additive met en œuvre comme source d’énergie au moins un laser.
8. 8. Procédé d’oxycombustion mettant en œuvre un échangeur selon l’une des revendications 1 à 3 pour préchauffer de l’oxygène.