1. Quest-ce quun tube torsadé ?

La section transversale du tube torsadé est elliptique, ce qui est un élément déchange thermique et le chemin découlement dans le tube est en spirale, cest pourquoi on lappelle tube plat torsadé. Afin de faciliter le traitement de la connexion entre lélément déchange thermique et la plaque tubulaire, les deux extrémités du tube elliptique sont toujours conservées rondes. La disposition des tubes plats torsadés dans la coque est très compacte. Les bords extérieurs des tubes de transfert de chaleur adjacents maintiennent le contact ponctuel en spirale pour réduire le volume de léchangeur de chaleur et augmenter lespace découlement entre les éléments déchange de chaleur.

Le tube torsadé est un type de tubes de transfert de chaleur améliorés qui ont dabord été présentés par la société suisse Allares, puis améliorés par la société américaine Brown. 

2. Structure et fabrication de  tube torsadé

La caractéristique du tube torsadé est que chaque section transversale du tube est ovale. Lors de lassemblage des échangeurs de chaleur, ils peuvent être un faisceau mixte (cest-à-dire lutilisation mixte dun tube torsadé et dun tube nu) et peuvent également être un faisceau de tubes torsadés pur.

Le procédé de fabrication comprend deux étapes de formage : « pression partielle » et « déformation ». La section transversale du tube est de type ellipse, le rapport entre les axes long et court est conçu en fonction de la vitesse découlement dans le tube de transfert de chaleur. Lorsque le débit dans le tube est faible, nous pouvons augmenter le rapport entre les axes long et court, ou réduire la surface découlement.

Les tubes torsadés en acier sans soudure utilisés pour la production des échangeurs de chaleur sont des tubes complets sans joints. Les matériaux courants utilisés dans les tubes en acier sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

3. Principes améliorés de transfert de chaleur du tube torsadé

La structure unique du tube torsadé peut faire passer le flux dans le tube et la coque dans le mouvement en spirale en même temps, augmentant ainsi lintensité turbulente. Le coefficient de transfert de chaleur du tube torsadé est 40 % plus élevé que celui normal, mais la chute de pression est presque la même.

4. Avantages de léchangeur de chaleur à tube torsadé

5. Spécifications de  léchangeur de chaleur à tubes torsadés

Fig : Figure des paramètres de dimension de base du tube torsadé

Remarque : Le tableau ci-dessus constitue le paramètre de base du tube torsadé standard. Le tube torsadé peut être fabriqué selon St et L, sil existe des exigences particulières.

6. Application du tube torsadé

Comme le tube torsadé sest développé et amélioré rapidement ces dernières années, il est beaucoup plus fiable et efficace et peut presque être utilisé dans tous les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes. Plus de 400 échangeurs de chaleur à tubes torsadés ont été utilisés depuis 1984 et peuvent être utilisés dans les processus de transfert de chaleur gaz-gaz, liquide-liquide et liquide-gaz, notamment dans les domaines de la chimie, du pétrole, de lalimentation, de la fabrication du papier, de lénergie électrique, de la métallurgie, des mines, et lindustrie du chauffage urbain.

7. Exemple dapplication du tube torsadé

En 1997, la raffinerie de Lanzhou a remplacé les échangeurs de chaleur traditionnels de lunité de déparaffinage du benzène cétone par des échangeurs de chaleur à tubes plats torsadés, conçus et fabriqués par une entreprise locale. Selon les paramètres du processus, le HETECH a été utilisé pour le calcul de sélection du type déchangeur de chaleur à tube plat twist.

Tube torsadé, tube Twist Flate, tube torsadé à ailettes brunes

Tableau : Paramètres associés au processus de déparaffinage au benzol-cétone

Article Passe-tube Passe-coque 

Moyen Solvant Eau chaude

Débit/kg·h-1 5000,0 20000,0

Pression de service/MPa 0,18 0,23

Température dentrée/°C 130,0 200,0

Température de sortie/°C 185,0 190,0

Densité relatived420 0,83 1,0

Température en viscosimétrie /oC 50 100 50 100

Viscosité/mm2·s-1 13,4 5,6 0,556 0,296

Résistance à lencrassement/W·(m2·K)-1 0,0002 0,0002

Sélection et calcul de léchangeur de chaleur à tube plat twist :

Ils ont choisi deux unités déchangeurs de chaleur à tubes plats torsadés (le numéro est LCLF600-2,5-74,5-6/25-6 (ST = 250)) par calcul au lieu des deux unités initiales déchangeurs de chaleur à plaques à chicanes en arc (No. BES800-2,5-145-6/25-6 (B = 300)). La surface de transfert de chaleur de chaque unité a permis déconomiser près de deux fois celle de léquipement dorigine. Compte tenu de la chute de pression du passage de coque, et cétait la première fois que nous utilisions ce type déchangeur de chaleur, nous avons choisi un échangeur de chaleur DN600 mm. Dans les paramètres structurels, nous avons toujours choisi un tube caloporteur de Φ 25 mm, dont le pas de tube est de 32 mm, la disposition est carrée à 45°, pour faciliter lécoulement et le nettoyage dans le passage de coque. Nous avons sélectionné lavance optimale du tube plat torsadé dans lexpérience de transfert de chaleur à tube unique : 200, 250 et 300 mm. Pour le même tube plat torsadé en plomb, les performances de transfert de chaleur et de résistance du tube de Φ 25 mm sont évidemment meilleures que celles du tube de Φ 19 mm. Le plomb a également une relation directe avec le coefficient de transfert de chaleur, si le plomb est trop petit, la vitesse découlement augmente, les contacts ponctuels de lhélice augmentent, cela renforce la fonction de flux de sillage et améliore le coefficient de transfert de chaleur, mais augmente la résistance ; si le plomb est trop grand, la vitesse ne change presque pas, leffet de transfert de chaleur nest pas évident. Par conséquent, nous avons choisi le plomb de 250 mm.

Tableau : Résultats du calcul du processus

Charge thermique 248,2 kW

Le coefficient de transfert de chaleur du film dans le passage du tube 371,0/W·(m2·K)-1

Le coefficient de transfert de chaleur du film dans la coque passe 2872,3/W·(m2·K)-1

Le coefficient de transfert de chaleur total du film (propre) 328,6/W·(m2·K)-1

Le coefficient de transfert thermique total du film (dépôt) 286,3/W·(m2·K)-1

différence de température moyenne logarithmique 32,5/oC

Différence de température moyenne effective 29,0/oC

facteur de correction de la différence de température 0,895

La chute de pression totale dans le tube dépasse 17,7/kPa

La chute de pression totale dans la coque passe à 0,6/kPa

Surface de transfert de chaleur (calcul) 29,9/m2

Surface de transfert de chaleur (conception) 74,5/m2

Labondance de la surface de transfert de chaleur 149,5 %

Tableau : Paramètres de structure de léchangeur de chaleur

Diamètre de la coque 0,6 m

Type Twist tube plat

Nombre de tubes de transfert de chaleur/

nombre de passage de tube 158/6

Spécification Φ25 × 2,5 mm

Longueur 6m

Pas de tube 32mm

Localiser le type Carrés rotatifs 

Plomb 250mm

Nombre de passes dobus 1

Type de déflecteur de flux Rien

Surface déchange de chaleur 75m2

Diamètre de sortie du passe tube 150mm

Diamètre de sortie du côté coque 150mm

Conception des structures :

En tant quéchangeur de chaleur à plaques à chicanes à arc traditionnel, léchangeur de chaleur à tube plat torsadé est composé du faisceau, de la coque, de la boîte à tubes, du couvercle de tête flottant et du couvercle de tête extérieur. La principale différence est que la structure du tube de transfert de chaleur et du faisceau de tubes, ainsi que des autres pièces, telles que la plaque tubulaire fixe, la plaque tubulaire flottante et le tube daspiration, est exactement la même.

Les deux extrémités du tube plat torsadé restent droites, ce qui facilite lassemblage du tube de transfert de chaleur et la connexion de la plaque tubulaire. Chaque section transversale des tubes plats torsadés est ovale, laxe long et laxe court sont déterminés par le pas du tube.

Ils peuvent se soutenir en sappuyant sur les points de spirale extérieure ; chaque tube a quatre points de contact avec les quatre tubes environnants. Le reste peut être déduit par analogie qu’ils se soutiennent mutuellement et fonctionnent de manière autonome. Et la direction du tube rotatif dans chaque section transversale doit être cohérente, pour garantir le passage du fluide en spirale dans la coque.

Comme il y a six passages de tubes, il ny a pas de tube dans le passage de calandre à lendroit du déflecteur. En labsence dun support latéral, il perdra léquilibre et des fuites et des courts-circuits pourraient se produire. Ainsi, le déflecteur a été conçu.

Comme le faisceau de tubes mesure 6 mètres de long et que la déflexion est importante, sans le déflecteur, des vibrations et un effondrement du tube peuvent se produire pendant le fonctionnement et affecter la durée de vie de léquipement. Ils ont donc conçu 8 groupes de faisceaux de cerclage de ceinture en acier à lextérieur des faisceaux de tubes, cela peut éviter que les faisceaux de tubes ne se détachent et renforcer leur intégrité. Chaque ceinture en acier a ajouté un déflecteur annulaire, son diamètre extérieur est de 4 à 5 mm, inférieur au diamètre intérieur de la coque. Et quatre canaux coulissants ouverts ont été ouverts de haut en bas du déflecteur, de sorte quil est intégré deux ensembles damortisseurs coulissants dans la direction verticale le long du faisceau de tubes. Cela peut empêcher les fuites de dérivation et faciliter linsertion du faisceau de tubes dans la coque.

Il y a un cylindre de tirage à lentrée et à la sortie du faisceau de tubes. Tout dabord, il peut réduire la zone de stagnation du fluide causée par lespace entre le tube et la plaque tubulaire, et augmenter la longueur efficace de transfert de chaleur du tube ; deuxièmement, il peut jouer un rôle de soutien pour le faisceau de tubes. Enfin, cela peut réduire l’érosion du fluide sur le tube de transfert de chaleur.

Étant donné que la section cylindrique du tube plat torsadé est plus grande que celle du tube nu, après lassemblage du faisceau, les tubes se rapprochent de lentrée et de la sortie, ce qui réduira la surface de circulation et augmentera la chute de pression. Pour résoudre ce problème, les traitements sont les suivants :

Une rangée de tubes reste droite sur 500 mm de lextrémité près de lentrée et de la sortie, la longueur de la section en spirale est légèrement réduite, ce qui a peu deffet sur les performances de transfert de chaleur, mais cela augmente la distance dici à la section et la surface découlement du tube à lintérieur du réservoir et réduit la perte de charge. Louverture de nombreux petits trous sur le cylindre de tirage peut également réduire la chute de pression à lentrée et à la sortie.

Cette conception utilise la méthode de soudage par résistance et dexpansion, garantit non seulement la résistance de connexion du tube et de la plaque tubulaire, mais garantit également les performances détanchéité et évite la corrosion caverneuse.

Fin 1998, les deux appareils étaient utilisés, ils fonctionnaient bien jusquà présent et étaient salués par les utilisateurs. Par la suite, le dispositif à pression normale nécessite de nombreux échangeurs de chaleur dans la raffinerie de Lanzhou, le milieu de traitement comprend : le pétrole brut, le pétrole normal à quatre lignes, la coupe quatre, la coupe cinq, la coupe six, le pétrole et les boues, etc. qui sont à haute viscosité, et ont complété la conception du processus et Selon les calculs de sélection, son diamètre est réduit de 1 à 2 niveaux par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels, ce qui permet déconomiser environ 30 % de linvestissement.