FR2795337A1 - Heat transfer tube for use in evaporation of food fluids has small level changes in its outer surface to increase its wettability, and hence heat transfer - Google Patents
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Abstract
Description
Tube pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation de fluide, notamment de fluide alimentaire. Tube that can be used in fluid evaporation techniques, in particular edible fluid.
La présente invention concerne un tube pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation de fluide, notamment de fluide alimentaire. The present invention relates to a tube which can be used in fluid evaporation techniques, in particular of edible fluid.
Lors de l'évaporation d'un fluide alimentaire tel que liquide sucré ou lait, les échanges thermiques de part et d'autre du tube d'évaporateur sont très importants du fait des bilans énergétiques élevés utilisés dans ce domaine. During the evaporation of a food fluid such as a sweet liquid or milk, the heat exchanges on either side of the evaporator tube are very important because of the high energy balances used in this field.
De plus, lors de l'évaporation du fluide, il se forment des dépôts minéraux et ou organiques qu'il est nécessaire d'éliminer par des opérations répétées de nettoyage et de désinfection en particulier dans le domaine de la laiterie. Le coût des opérations de nettoyage est important du fait de la quantité d'eau et de produits de nettoyage nécessaire. Dans le cas d'une sucrerie, traitant la canne à sucre ou la betterave et malgré l'utilisation de produits chimiques anti-tartre, la production doit être stoppée pour procéder aux opérations de nettoyage des tubes d'échangeurs. In addition, upon evaporation of the fluid, mineral and or organic deposits are formed which it is necessary to remove by repeated cleaning and disinfection operations, in particular in the dairy sector. The cost of cleaning operations is high due to the amount of water and cleaning products required. In the case of a sugar refinery, processing sugar cane or beet and despite the use of anti-scale chemicals, production must be stopped to carry out the operations of cleaning the exchanger tubes.
Il est connu un procédé de fabrication d'un tube dit cannelé, dans lequel une bande métallique de base est ondulée, dans le sens de la largeur, entre deux paires de galets comportant des cannelures. La bande métallique ondulée est ensuite roulée, également dans le sens largeur, pour former un tube comportant un profil ondulé, en section. Le tube ainsi réalisé avec la bande ondulée a pour but d'augmenter la surface d'échange thermique pour un même diamètre nominal de tube. A method of manufacturing a so-called fluted tube is known, in which a basic metal strip is corrugated, in the width direction, between two pairs of rollers comprising flutes. The corrugated metal strip is then rolled, also in the width direction, to form a tube having a corrugated profile, in section. The purpose of the tube thus produced with the corrugated strip is to increase the heat exchange surface for the same nominal tube diameter.
Dans cet exemple, la réalisation des ondulations imposent l'utilisation de bande de tôle relativement mince, de l'ordre de 0,5 mm, pour assurer une mise en forme des ondulations. De ce fait, le tube réalisé dans une tôle de faible épaisseur entraîne un risque de perforation lors d'une corrosion par piqûre du tube suite à des traitements successifs de décapage. L'ondulation a aussi la fonction de raidisseur, ce qui permet l'utilisation d'une tôle de base de faible épaisseur. In this example, the production of the corrugations requires the use of relatively thin sheet metal strip, of the order of 0.5 mm, to ensure shaping of the corrugations. As a result, the tube produced from a sheet of thin thickness leads to a risk of perforation during pitting corrosion of the tube following successive pickling treatments. The corrugation also has the function of stiffener, which allows the use of a thin base plate.
Dans un autre exemple de réalisation, un des galets comporte une génératrice rectiligne parallèle à son axe de rotation et l'autre galet comporte des gorges destinées à former lesdites cannelures sur une face de la bande d'acier laminée. Le tube ainsi réalisé, à partir de la bande laminée ne comporte des rainures qu'extérieurement, lesdites rainures, ayant pour but, également dans ce cas, d'augmenter la surface d'échange thermique du tube pour un même diamètre nominal. In another exemplary embodiment, one of the rollers comprises a straight generator parallel to its axis of rotation and the other roller comprises grooves intended to form said grooves on one face of the rolled steel strip. The tube thus produced, from the laminated strip only has grooves on the outside, said grooves, the aim of which, also in this case, is to increase the heat exchange surface of the tube for the same nominal diameter.
Dans cet exemple, les cannelures formées, génèrent, localement, une diminution importante de l'épaisseur du tube dans le creux desdites cannelures et, dans le domaine technique considéré, entraîne un risque de perforation lors de corrosion par piqûre. In this example, the grooves formed locally generate a significant reduction in the thickness of the tube in the hollow of said grooves and, in the technical field under consideration, entails a risk of perforation during pitting corrosion.
Il est également connue une technique de rainurage par entaille en surface d'un tube. Dans ce cas, également, le rainurage entraîne une réduction relativement importante de l'épaisseur de la tôle du tube et des risques de perforation lors d'une corrosion par piqûre. It is also known a grooving technique by notching on the surface of a tube. In this case, too, grooving results in a relatively large reduction in the thickness of the sheet metal of the tube and the risks of perforation during pitting corrosion.
Le but de l'invention est de proposer un tube en acier inoxydable soudé, utilisable dans des évaporateurs, notamment dans l'industrie sucrière et laitière, le tube présentant une qualité de surface interne améliorée et une structure de sa surface externe assurant une qualité d'échange thermique également améliorée. The object of the invention is to propose a welded stainless steel tube, usable in evaporators, in particular in the sugar and dairy industry, the tube having an improved internal surface quality and a structure of its external surface ensuring a quality d also improved heat exchange.
L'invention a pour objet un tube en acier inoxydable soudé pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation d'un fluide, notamment d'un fluide alimentaire qui se caractérise en ce qu'il comporte, sur sa surface externe d'échange thermique, majoritairement lisse, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations crées sur la surface lisse d'échange thermique. The subject of the invention is a welded stainless steel tube which can be used in techniques for the evaporation of a fluid, in particular a food fluid which is characterized in that it comprises, on its external heat exchange surface , mostly smooth, localized means of accumulation and flow of the condensations created on the smooth heat exchange surface.
Les autres caractéristiques de l'invention sont: - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont répartis longitudinalement sur ledit tube et uniformément sur sa périphérie, - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de dénivelés sous la forme d'épaulements s'étendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. The other characteristics of the invention are: - the means of accumulation and flow of condensations are distributed longitudinally on said tube and uniformly on its periphery, - the means of accumulation and flow of condensations consist of elevation differences under the shape of shoulders extending over the length of said tube and whose height is less than 0.5 mm and preferably less than 0.2 mm.
- les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués d'empreintes en creux réparties sur la longueur dudit tube, - les empreintes ont une profondeur inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm, - les empreintes ont une largeur comprise entre 0,2 et 1 mm, occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie dudit tube, - les empreintes ont une forme de cuvette arrondie, - les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués de redents, répartis en périphérie du tube et occupant moins de 50% de la périphérie dudit tube. the means for the accumulation and flow of condensations consist of hollow imprints distributed over the length of said tube, the imprints have a depth of less than 0.5 mm and preferably less than 0.2 mm, footprints have a width between 0.2 and 1 mm, occupying in a distributed manner, less than 50% of the periphery of said tube, - the footprints have a rounded bowl shape, - the means of accumulation and flow of condensations consist of recesses, distributed around the periphery of the tube and occupying less than 50% of the periphery of said tube.
- la surface interne du tube comporte une rugosité inférieure à 0,2 Nm, de type recuit brillant 2R. the internal surface of the tube has a roughness of less than 0.2 Nm, of the bright annealing type 2R.
L'invention concerne également un procédé pour améliorer les échanges thermiques dans un échangeur thermique pour l'évaporation d'un fluide, notamment dans l'industrie alimentaire, l'échangeur comportant des tubes destinés à l'échange thermique caractérisé en ce que: - on réalise sur la surface lisse des tubes échangeurs, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations, moyens destinés à attirer, par capillarité, le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube ; - on draine par les moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations ledit film de liquide condensé. The invention also relates to a method for improving the heat exchanges in a heat exchanger for the evaporation of a fluid, in particular in the food industry, the exchanger comprising tubes intended for heat exchange, characterized in that: is carried out on the smooth surface of the exchanger tubes, localized means of accumulation and flow of condensations, means intended to attract, by capillary action, the film of condensed liquid which is deposited uniformly on the mainly smooth surface of the tube; - Draining by the localized means of accumulation and flow of condensations said film of condensed liquid.
Une autre caractéristique de l'invention est - on réalise sur la surface lisse les tubes échangeurs au moins un dénivelé sous la forme d'épaulement détendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm, dénivelé définissant une empreinte longitudinale dont le bord attire par capillarité le film de liquide condensé qui se dépose uniformément sur la surface majoritairement lisse du tube. Another characteristic of the invention is - the exchanger tubes are produced on the smooth surface at least one drop in the form of a shoulder extending over the length of said tube and whose height is less than 0.5 mm and preferably less than 0.2 mm, difference in height defining a longitudinal imprint whose edge attracts by capillary action the film of condensed liquid which is deposited uniformly on the mostly smooth surface of the tube.
La description qui suit comprenant les figures annexées le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre l'invention. The following description, including the appended figures, all given by way of non-limiting example will make the invention easier to understand.
Les figures 1 et 2 présentent chacune, en coupe, un exemple de tube en acier inoxydable selon l'invention. Dans la mise en forme d'un tube en acier inoxydable pouvant être utilisé dans des techniques d'évaporation d'un fluide, notamment d'un fluide alimentaire, la ligne de mise en forme du tube, à partir d'une bande d'acier comporte, des moyens de roulage et de soudage bord à bord de la bande. Selon l'invention, la ligne comporte un ensemble mécanique comprenant un galet plat dit supérieur et un galet dit inférieur, le galet dit inférieur comportant des saillies équidistantes ou des rainures de faible hauteur ménageant, entre elles, des surfaces lisses, surfaces lisses occupant majoritairement la surface de la bande. Les deux galets sont adaptés à la largeur de la bande d'acier de départ, bande de départ dont la largeur correspond au périmètre moyen du tube à réaliser. Figures 1 and 2 each show, in section, an example of a stainless steel tube according to the invention. In the shaping of a stainless steel tube that can be used in techniques for evaporating a fluid, in particular a food fluid, the tube shaping line, from a strip of steel includes rolling and edge-to-edge welding means of the strip. According to the invention, the line comprises a mechanical assembly comprising a so-called upper flat roller and a so-called lower roller, the so-called lower roller comprising equidistant projections or grooves of small height providing, between them, smooth surfaces, smooth surfaces occupying mainly the surface of the strip. The two rollers are adapted to the width of the starting steel strip, starting strip whose width corresponds to the average perimeter of the tube to be produced.
Dans l'exemple de réalisation selon l'invention, l'ensemble mécanique est placé en tête d'une soudeuse par induction, laser ou TIG. In the exemplary embodiment according to the invention, the mechanical assembly is placed at the head of an induction, laser or TIG welder.
On réalise avec l'ensemble mécanique, sur la bande d'acier inoxydable, des moyens localisés d'accumulation et d'écoulement des condensations constitués par exemple d'empreintes linéaires suffisamment espacées entre elles pour libérer une surface majoritairement lisse du tube. With the mechanical assembly, on the stainless steel strip, localized means of accumulation and flow of condensations are formed, for example consisting of linear imprints sufficiently spaced apart to release a predominantly smooth surface of the tube.
La figure 1 présente en coupe une partie de tube 1 selon l'invention. Figure 1 shows in section a tube part 1 according to the invention.
Les moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations sont constitués, dans cet exemple de réalisation de dénivelés 2 et 3 sous la forme d'épaulements détendant sur la longueur dudit tube et dont la hauteur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. Les dénivelés 2 et 3 définissent des empreintes 4 dont la profondeur est inférieure à 0,5 mm et de préférence inférieure à 0,2 mm. On constate que la faiblesse de la profondeur de l'empreinte ne modifie pas de manière conséquente l'épaisseur globale de la tôle du tube. On peut concevoir la réalisation d'une empreinte plus profonde, mais cela ne présente que des inconvénients, notamment l'apparition, sur le tube, de zones de faible épaisseur. The means of accumulation and flow of condensations consist, in this embodiment of unevennesses 2 and 3 in the form of shoulders extending over the length of said tube and whose height is less than 0.5 mm and preferably less than 0.2 mm. The elevations 2 and 3 define imprints 4 whose depth is less than 0.5 mm and preferably less than 0.2 mm. It is noted that the weakness of the depth of the imprint does not significantly modify the overall thickness of the sheet metal of the tube. One can imagine the realization of a deeper footprint, but this has only drawbacks, including the appearance, on the tube, of thin areas.
Les empreintes 4 de préférence réparties, longitudinalement sur le tube 1, uniformément sur sa périphérie, comportent de préférence, une largeur comprise entre 0,2 et 1 mm, occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie du tube 1. Dans l'exemple présenté sur la figure 1, les empreintes 4, en forme de cuvette arrondie, occupent environ 20 à 25% de la surface du tube. The imprints 4, preferably distributed longitudinally on the tube 1, uniformly around its periphery, preferably have a width of between 0.2 and 1 mm, occupying in a distributed manner, less than 50% of the periphery of the tube 1. In the example presented in FIG. 1, the indentations 4, in the form of a rounded bowl, occupy approximately 20 to 25% of the surface of the tube.
L'effet de capillarité, généré par le bord de l'empreinte 4 déplace le film de condensation de la vapeur qui se forme sur la surface 5 du tube, vers ladite empreinte 4. L'empreinte 4 se comporte comme une gouttière. The capillary effect, generated by the edge of the cavity 4 moves the film of condensation of the vapor which forms on the surface 5 of the tube, towards said cavity 4. The cavity 4 behaves like a gutter.
D'autres moyens d'accumulation et d'écoulement des condensations peuvent être envisagés comme par exemple la réalisation de redents 6 réparties sur la longueur du tube 1 comme présenté sur la figure 2. Other means of accumulation and flow of condensations can be envisaged such as for example the production of redents 6 distributed over the length of the tube 1 as presented in FIG. 2.
Les redents sont constitués par deux dénivelés 2 et 3 ayant une hauteur inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure à 0,2 mm, et une largeur occupant de manière répartie, moins de 50% de la périphérie dudit tube. The steps consist of two elevations 2 and 3 having a height of less than 0.5 mm, preferably less than 0.2 mm, and a width occupying in a distributed manner, less than 50% of the periphery of said tube.
La surface interne du tube présente une rugosité inférieure à 0,2 pm, de type recuit brillant 2R, surface non perturbée par la réalisation des empreintes. Le tube est réalisé à partir d'une bande de tôle en acier inoxydable du type ferritique ou austénitique tels que AISI 439, 304, 304L, 316L bien que certains aciers semblent préférables à d'autres comme cela sera démontré par la suite. The internal surface of the tube has a roughness of less than 0.2 μm, of the bright annealing type 2R, surface not disturbed by the making of the impressions. The tube is made from a strip of stainless steel sheet of the ferritic or austenitic type such as AISI 439, 304, 304L, 316L although some steels seem preferable to others as will be demonstrated later.
La réalisation de l'empreinte ne provoque, du fait des dimensions de celle ci, aucune zone d'écrouissage de l'acier de base, aucune augmentation de la dureté de l'acier. De plus l'empreinte ne modifie pratiquement pas l'épaisseur de la paroi du tube, contrairement aux tubes connus de l'art antérieur. The making of the imprint does not cause, because of the dimensions thereof, no hardening zone of the base steel, no increase in the hardness of the steel. In addition, the imprint practically does not modify the thickness of the wall of the tube, unlike the tubes known from the prior art.
Sous cette forme de réalisation, du fait de la faible perturbation générée par la réalisation de l'empreinte, il est possible de modifier l'aspect extérieur d'un tube cylindrique, pour augmenter de capacité d'échange thermique dudit tube, sans modifier de manière excessive l'état de surface de la partie interne du tube. In this embodiment, due to the small disturbance generated by the production of the imprint, it is possible to modify the external appearance of a cylindrical tube, to increase the heat exchange capacity of said tube, without modifying excessive surface condition of the inner part of the tube.
Dans ces conditions, la partie interne du tube offre une surface limitant l'entartrage et facilitant les opérations de nettoyage, la partie externe dudit tube offrant une surface pratiquement lisse, cylindrique, et qui assure, du fait de l'existence des empreintes, une augmentation de l'échange thermique en drainant et en éliminant la condensation qui se forme en continu sur le tube dans sa fonction d'échangeur thermique. Under these conditions, the internal part of the tube offers a surface limiting scaling and facilitating cleaning operations, the external part of said tube offering a practically smooth, cylindrical surface, and which ensures, due to the existence of fingerprints, a increase in heat exchange by draining and eliminating the condensation that forms continuously on the tube in its heat exchanger function.
Dans le cadre d'une étude sur l'entartrage des tubes en contact avec du jus sucré, on constate que le dépôt est constitué principalement de CaC03. II a été mis en évidence un mécanisme comportant trois phases: - une amorce des dépôts de tartre, ce qui correspond à une augmentation du débit évaporatoire. Cette amorce dépend des propriétés de surface du tube tels que micro-rugosité; chimie de surface. On peut distinguer deux types d'amorces, l'une minérale du type MgO-CaCO3-Si Oz pour les surfaces du type 2B, 2D, décapées ou non, l'autre mixte du type CaC03 plus matières organiques, pour les surfaces du type 2R et électro-polies, - un équilibre entre les cinétiques d'entartrage et le décollement de couches. A ce stade, la composition de l'acier du tube est un paramètre important car les coefficients thermiques et de dilatation vont jouer sur cet équilibre. In the context of a study on the scaling of tubes in contact with sugar juice, we find that the deposit consists mainly of CaCO3. A mechanism comprising three phases has been demonstrated: - initiation of tartar deposits, which corresponds to an increase in the evaporative flow. This primer depends on the surface properties of the tube such as micro-roughness; surface chemistry. We can distinguish two types of primers, one mineral of the MgO-CaCO3-Si Oz type for surfaces of type 2B, 2D, pickled or not, the other mixed of type CaC03 plus organic matter, for surfaces of type 2R and electro-polished, - a balance between the scaling kinetics and the separation of layers. At this stage, the composition of the steel of the tube is an important parameter because the thermal and expansion coefficients will play on this balance.
- une phase où l'entartrage prédomine sur le décollement des couches de tartre. - a phase where scaling prevails over the separation of the layers of tartar.
Le tube selon l'invention a l'avantage de s'entartrer moins par rapport aux autres tubes testés. La réduction de l'entartrage est d'un facteur 2 à 3, ce qui augmente le débit évaporatoire de près de 25%. The tube according to the invention has the advantage of less scaling compared to the other tubes tested. The reduction in scaling is by a factor of 2 to 3, which increases the evaporative flow by almost 25%.
Du point de vue du nettoyage, on constate une différence de cinétique et par conséquent, les consommations d'eau nécessaires pour éliminer les dépôts importants de tartre peuvent être réduites de moitié. From a cleaning point of view, there is a difference in kinetics and therefore the water consumption required to remove large deposits of scale can be reduced by half.
La nettoyabilité des tubes dépend à la fois de la chimie et de la topographie de la surface. En effet, selon la chimie de surface du tube, l'amorce des dépôts de tartre diffère et par conséquent, les ruptures engendrées par l'eau sous pression, dans le dépôt de tartre, sont plus ou moins faciles. La rugosité de la surface interne est un facteur important pour l'élimination du dépôt. Plus la rugosité moyenne de surface est faible, plus la surface sera nettoyable. Du fait de la faible déformation provoquée en surface extérieure, lors de la réalisation des empreintes, l'état de surface interne et peu ou pas modifié. Les mesures de consommations d'eau confirment bien les mécanismes régissant la nettoyabilité de surface, à savoir: les surfaces des tubes réalisés en acier inoxydable AISI 439 enrichi en oxyde de Si et présentant une rugosité moyenne Ra de 0,2 Nm seront entartrées par un dépôt de CaC03 associé à de la matière organique. Ce dépôt est plus friable et donc plus facilement éliminable qu'un dépôt complètement minéral qui se forme préférentiellement sur les surfaces d'un tube réalisé, par exemple en acier AISI 304 enrichi en oxyde de fer ou de chrome et présentant une rugosité moyenne Ra inférieure à 0,4 Nm. Par conséquent, les volumes d'eau nécessaires pour éliminer les dépôts sur les tubes en acier AISI 439 2R sont deux fois plus faibles que ceux mesurés pour éliminer les dépôts sur les tubes en acier AISI 304 décapés. The cleanability of the tubes depends on both the chemistry and the topography of the surface. Indeed, according to the surface chemistry of the tube, the initiation of scale deposits differs and therefore, the ruptures caused by pressurized water, in the scale deposit, are more or less easy. The roughness of the internal surface is an important factor in removing the deposit. The lower the average surface roughness, the more the surface will be cleanable. Because of the small deformation caused on the external surface, when the impressions are made, the internal surface state and little or not changed. The water consumption measurements clearly confirm the mechanisms governing surface cleanability, namely: the surfaces of the tubes made of AISI 439 stainless steel enriched in Si oxide and having an average roughness Ra of 0.2 Nm will be scaled by a deposition of CaCO3 associated with organic matter. This deposit is more brittle and therefore more easily removed than a completely mineral deposit which preferably forms on the surfaces of a tube made, for example of AISI 304 steel enriched with iron or chromium oxide and having a lower average roughness Ra at 0.4 Nm. Consequently, the volumes of water required to remove deposits on AISI 439 2R steel tubes are twice as small as those measured to remove deposits on pickled AISI 304 steel tubes.
II est ainsi mis en évidence, des caractéristiques supérieures d'un tube en acier de composition AISI 439 en comparaison avec un tube en acier de composition AISI 304. It is thus highlighted, superior characteristics of a steel tube of composition AISI 439 in comparison with a steel tube of composition AISI 304.
Le tube selon l'invention assure - un gain d'au moins 25% au niveau du bilan énergétique des enceintes d'évaporation, - une limitation des rejets liquides à retraiter, - une diminution des fréquences de nettoyage, notamment pour les sucreries de cannes à sucre n'utilisant pas de produit anti-tartre. The tube according to the invention ensures - a gain of at least 25% in the energy balance of the evaporation chambers, - a limitation of the liquid discharges to be reprocessed, - a reduction in the cleaning frequencies, in particular for cane sweets sugar not using anti-scale product.
- une diminution de l'entartrage. - a reduction in scaling.
- un nettoyage plus facile et plus rapide.- easier and faster cleaning.
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