FR3136276A1 - Echangeur thermique destiné à être refroidi par un flux gazeux, installation de liquéfaction de gaz naturel, et procédé associé - Google Patents

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Abstract

Echangeur thermique destiné à être refroidi par un flux gazeux, installation de liquéfaction de gaz naturel, et procédé associé Cet échangeur comprend : - au moins un tube d’échange thermique (78A), propre à recevoir un fluide destiné à être refroidi, le tube d’échange thermique (78A) présentant une surface extérieure (78B) pleine ; - un ventilateur propre à faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure (78B) du tube d’échange thermique (78A) ; - un ensemble d’amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure (78B). L’ensemble d’amenée de liquide comprend un diffuseur de liquide destiné à convoyer le liquide au voisinage de la surface extérieure (78B), l’ensemble d’amenée de liquide (75) comportant en outre au moins un lien poreux (96) présentant au moins un enroulement (100) comportant une région aval (104) appliquée sur la surface extérieure (78B) pour distribuer le liquide provenant du diffuseur de liquide sur la surface extérieure (78B). Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

Echangeur thermique destiné à être refroidi par un flux gazeux, installation de liquéfaction de gaz naturel, et procédé associé
La présente invention concerne un échangeur thermique destiné à être refroidi par un flux gazeux, comprenant :
- au moins un tube d’échange thermique, propre à recevoir un fluide destiné à être refroidi, le tube d’échange thermique présentant une surface extérieure pleine ;
- un ventilateur, propre à faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure du tube d’échange thermique ;
- un ensemble d’amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure.
Un tel échangeur thermique est destiné à être intégré notamment au sein d’un cycle de refroidissement d’une installation de liquéfaction du gaz naturel, en particulier d’une installation flottante de liquéfaction de gaz naturel.
Les cycles de refroidissement utilisés pour liquéfier et sous-refroidir un flux de gaz naturel en vue de son transport ultérieur nécessitent des échangeurs thermiques de refroidissement, par exemple pour refroidir le fluide réfrigérant après une compression.
Ces échangeurs thermiques fonctionnent par exemple à l’eau de mer par boucle secondaire, ou par refroidissement par un flux d’air.
Les systèmes de refroidissement à l’eau de mer sont généralement très encombrants et présentent un poids important, qui peut être préjudiciable sur un navire.
Par ailleurs, le refroidissement à air est souvent peu efficace, nécessitant d’augmenter significativement les surfaces d’échange thermique, et donc l’encombrement sur le navire.
Pour pallier ce problème, et offrir néanmoins une capacité de refroidissement importante, la demande FR3064052 de la Demanderesse propose un échangeur thermique à refroidissement à air, dans lequel un liquide destiné à s’évaporer est projeté sur la surface externe des tubes d’un faisceau de tubes. L’évaporation du liquide est préférentiellement totale, pour limiter la consommation d’eau, et éviter l’utilisation d’une pompe de relevage, ce qui minimise les coûts.
Pour s’assurer que l’échange thermique est optimal, il est nécessaire de garantir que la surface externe des tubes du faisceau de tubes est suffisamment imbibée d’eau pour permettre une évaporation significative à cette surface.
En outre, dans certains cas, des dispositifs supplémentaires augmentant la surface thermique, tels que des ailettes radiales sont utilisés, comme décrit par exemple dans WO2014154398 ou dans EP2339283. Lorsque les tubes d’échange thermique sont munis d’ailettes, la distribution d’eau sur la surface externe des tubes est rendue difficile.
Lorsque l’ensemble d’amenée d’eau sur la surface externe comporte un système par aspersion de fines gouttelettes, notamment muni de buses à injection, il est difficile d’assurer la présence d’une fine couche d’eau à la surface du tube sans avoir une grande quantité de gouttelettes emportées par le flux de gaz ascendant dans l’échangeur thermique.
Alternativement, il est possible de déposer le liquide directement par une buse débouchant en regard de la surface externe du tube d’échange thermique, en utilisant un goutte-à-goutte. Néanmoins, le goutte-à-goutte doit être réalisé avec un trou dans chaque interstice entre les ailettes, par exemple tous les deux ou trois millimètres, ce qui est difficilement réalisable.
En outre, en ce qui concerne les systèmes d’aspersion, il existe toujours un risque que les gouttes qui sont amenées vers la surface externe des tubes s’évaporent avant d’atteindre la surface externe ou ne restent pas en contact avec la surface externe et glissent rapidement le long du périmètre de la surface externe avant de s’en détacher.
Dans ce cas, le temps de parcours du liquide sur la surface externe est parfois insuffisant pour entièrement évaporer les gouttes. Ceci produit alors du liquide résiduel qui doit être pompé et/ou qui est moins efficace en terme d’échange thermique.
Un but de l’invention est donc de fournir un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux qui soit particulièrement peu encombrant, pour être compatible notamment avec des installations de liquéfaction en mer, tout en étant très efficace.
À cet effet, l’invention a pour objet un échangeur thermique du type précité, caractérisé en ce que l’ensemble d’amenée de liquide comprend un diffuseur de liquide destiné à convoyer le liquide au voisinage de la surface extérieure, l’ensemble d’amenée de liquide comportant en outre au moins un lien poreux présentant au moins un enroulement comportant une région aval appliquée sur la surface extérieure pour distribuer le liquide provenant du diffuseur de liquide sur la surface extérieure.
L’échangeur thermique selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles :
- le ou les liens poreux forment une pluralité d’enroulements successifs le long du tube d’échange thermique, définissant une pluralité de régions aval successives s’étendant sensiblement transversalement par rapport à un axe longitudinal du tube d’échange thermique ;
- le tube d’échange thermique comporte des organes radiaux d’échange thermique, en particulier des ailettes, faisant saillie radialement par rapport à la surface extérieure, et délimitant un interstice entre chaque paire d’organes radiaux d’échange thermique adjacents, le diffuseur de liquide étant disposé à l’extérieur de l’interstice, la ou chaque région aval étant disposée dans l’interstice ;
- les surfaces des organes radiaux d’échange thermique situées en regard de chaque interstice ou/et la surface extérieure au fond des interstices sont munies d’un revêtement hydrophile ;
- le tube d’échange thermique est dépourvu d’organe radial d’échange thermique ;
- le diffuseur de liquide comprend un tube poreux présentant une pluralité d’orifices de sortie de liquide, l’enroulement comportant une région amont propre à être imbibée de liquide provenant des orifices du tube poreux, la région aval étant accordée à la région amont ;
- la région amont est appliquée sur le tube poreux en regard des orifices ;
- la région aval forme une boucle aval ou une partie de boucle aval appliquée sur la surface extérieure, présentant une extrémité amont et une extrémité aval, le lien poreux comportant au moins un brin intermédiaire amont raccordant l’extrémité amont de la région aval à la région amont, et dans lequel, éventuellement, la région amont forme une boucle amont ou une partie de boucle amont présentant une extrémité amont et une extrémité aval, le brin intermédiaire amont raccordant l’extrémité aval de la région amont à l’extrémité amont de la région aval ;
- le lien poreux comporte au moins un brin intermédiaire aval raccordant l’extrémité aval de la région aval à une extrémité amont d’une région amont d’un autre enroulement du lien poreux ou à l’extrémité amont de la région amont du même enroulement du lien poreux ;
- la région aval forme une boucle aval ou une partie de boucle aval présentant une extrémité amont et une extrémité aval, la région amont formant une boucle amont ou une partie de boucle amont présentant une extrémité amont et une extrémité aval, une extrémité aval de la région amont étant confondue avec l’extrémité amont de la région aval sans brin intermédiaire entre la région amont et la région aval ;
- le lien poreux est formé d’un fil, d’un ruban ou d’une chaussette ;
- le lien poreux est fibreux, en étant constitué avantageusement de fibres naturelles, de fibres synthétiques et/ou de fibres métalliques ;
- l’échangeur thermique comporte un faisceau de tubes d’échange thermique parallèle, l’ensemble d’amenée de liquide comportant au moins un lien poreux s’étendant sur la surface extérieure de chaque tube d’échange thermique ;
- l’échangeur thermique comporte une enveloppe définissant un conduit interne de circulation du flux gazeux, le tube d’échange thermique étant reçu dans le conduit interne, le diffuseur de liquide s’étendant au moins en partie dans le conduit interne ;
- l’ensemble d’amenée de liquide comprend un régulateur de débit configuré pour contrôler le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux, le régulateur de débit étant configuré pour que le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux soit intermittent avec des intervalles de diffusion de liquide et des intervalles d’absence de diffusion de liquide, le lien poreux étant propre, dans chaque intervalle d’absence de diffusion de liquide à stocker au moins une partie du liquide diffusé dans un intervalle de diffusion de liquide précédent.
L’invention a également pour objet une installation de liquéfaction de gaz naturel, notamment une installation flottante de liquéfaction de gaz naturel, comportant au moins un dispositif d’échange thermique propre à refroidir un flux de gaz naturel, et pour le ou chaque dispositif d’échange thermique au moins un cycle de refroidissement du dispositif d’échange thermique, le cycle de refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique tel que défini plus haut.
L’installation selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possible :
- l’installation comprend un dispositif amont d’échange thermique propre à pré-refroidir le flux de gaz naturel, et un dispositif aval d’échange thermique, propre à liquéfier et éventuellement sous-refroidir le flux de gaz naturel pré-refroidi, le dispositif amont d’échange thermique étant alimenté par un cycle amont de refroidissement, le dispositif aval d’échange thermique étant alimenté par cycle aval de refroidissement, le cycle amont de refroidissement et/ou le cycle aval de refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique tel que défini plus haut.
L’invention a également pour objet un procédé d’échange thermique par un flux gazeux entre un flux propre à être refroidi et un flux gazeux comportant les étapes suivantes :
- circulation du flux à refroidir dans au moins un tube d’échange thermique d’un échangeur thermique tel que défini plus haut,
- activation du ventilateur, pour faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure du tube d’échange thermique ;
- amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure par l’ensemble d’amenée de liquide et évaporation du liquide sur la surface extérieure,
caractérisé en ce que l’amenée de liquide comprend le convoyage du liquide au voisinage de la surface extérieure à travers le diffuseur de liquide, et l’imbibition, par du liquide provenant du diffuseur de liquide, de la région aval appliquée sur la surface extérieure pour distribuer le liquide sur la surface extérieure.
Le procédé peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possible :
- le diffuseur de liquide comprend un tube poreux présentant une pluralité d’orifices de sortie de liquide, l’enroulement comportant une région amont propre à être imbibée de liquide provenant des orifices du tube poreux, la région aval étant accordée à la région amont, l’amenée de liquide comprenant le convoyage du liquide au voisinage de la surface extérieure à travers le tube poreux, la sortie de liquide hors du tube poreux à travers la pluralité d’orifices de sortie de liquide, l’imbibition, par du liquide provenant des orifices du tube poreux, de la région amont d’au moins un enroulement du lien poreux, le convoyage du liquide dans le lien poreux depuis la région amont vers la région aval appliquée sur la surface extérieure et la distribution du liquide provenant de la région amont sur la surface extérieure ;
- l’ensemble d’amenée de liquide comprend un régulateur de débit configuré pour contrôler le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux le régulateur de débit contrôlant le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux de manière discontinue intermittente avec des intervalles de diffusion de liquide et des intervalles d’absence de diffusion de liquide, le lien poreux, dans chaque intervalle d’absence de diffusion de liquide stockant au moins une partie du liquide diffusé dans un intervalle de diffusion de liquide précédent.
L’invention a aussi pour objet un échangeur thermique, destiné à être refroidi par un flux gazeux, comprenant :
- au moins un tube d’échange thermique, propre à recevoir un fluide destiné à être refroidi, le tube d’échange thermique présentant une surface extérieure pleine ;
- un ventilateur, propre à faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure du tube d’échange thermique ;
- un ensemble d’amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure,
caractérisé en ce que l’ensemble d’amenée de liquide comprend un diffuseur de liquide destiné à convoyer le liquide au voisinage de la surface extérieure,
le tube d’échange thermique comportant des organes radiaux d’échange thermique, en particulier des ailettes, faisant saillie radialement par rapport à la surface extérieure, et délimitant un interstice entre chaque paire d’organes radiaux d’échange thermique adjacents,
les surfaces des organes radiaux de diffusion thermique situées en regard de chaque interstice ou/et la surface externe au fond des interstices étant munies d’un revêtement hydrophile.
Cet échangeur thermique ne comprend pas nécessairement la caractéristique selon laquelle l’ensemble d’amenée de liquide comporte en outre au moins un lien poreux présentant au moins un enroulement comportant une région aval appliquée sur la surface extérieure pour distribuer le liquide sur la surface extérieure.
Il peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques définies ci-dessus ou encore l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le diffuseur de liquide est disposé à l’extérieur de l’interstice ;
- le revêtement hydrophile est en polymère choisi parmi l'alcool polyvinylique, la gélatine, la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose, l'oxyde de polyéthylène, la polyvinylpyrrolidone, l'acide polyacrylique et d'autres polyélectrolytes, tels que l'acide polyméthacrylique, l'acide polyéthacrylique, l'acide polychloroacrylique. l'acide polycrotonique, l'acide polycyanoacrylique ;
- le revêtement hydrophile est obtenu par dépôt sol-gel, par revêtement par centrifugation, par plasma, par laser ou/et par dépôt chimique en phase vapeur.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- La est une vue schématique d’un exemple non limitatif d’installation de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur thermique selon l’invention ;
- La est une vue prise en coupe schématique d’un premier échangeur thermique selon l’invention, destiné notamment à être utilisé dans l’installation de la ;
- La est une vue en coupe suivant un plan vertical détail d’un tube d’échange thermique du faisceau de tubes de l’échangeur thermique de la ;
- La est une vue, prise en coupe suivant un plan perpendiculaire au plan de coupe de la ;
- La est une vue analogue à la d’une variante de tube ;
- La est une vue analogue à la de la variante de tube ;
- La est une vue analogue à la d’une variante de tube ;
- La est une vue analogue à la de la variante de tube ;
- La est une vue analogue à la d’une variante de tube ; et
- La est une vue analogue à la de la variante de tube.
Dans tout ce qui suit, les termes « amont » et « aval » s’entendent par rapport au sens normal de circulation d’un flux dans un conduit. Les pressions indiquées sont des pressions absolues sauf indication contraire.
Un premier échangeur thermique 8 selon l’invention est destiné par exemple à être utilisé dans une installation 10 de liquéfaction de gaz naturel selon l’invention, dont un exemple non limitatif est illustré schématiquement par la .
Dans cet exemple, l’installation 10 est destinée à être disposée à la surface d’une étendue d’eau 12.
L’étendue d’eau 12 est par exemple, une mer, un lac ou un océan. La profondeur de l’étendue d’eau 12 au droit de l’installation 10 est par exemple comprise entre 15 m et 3000 m.
L’installation 10 est propre à collecter du gaz naturel provenant d’un réservoir souterrain (non représenté). Le gaz naturel est produit directement sur l’installation 10. En variante, le gaz naturel est produit sur une autre unité de production à la surface de l’étendue d’eau 12 ou sur une unité de production à terre et est convoyé jusqu’à l’installation 10 par une ligne de transport.
L’installation 10 est avantageusement une installation flottante. En variante, l’installation 10 est fixée sur le fond de l’étendue d’eau par une structure immergée.
Dans l’exemple représenté sur la , l’installation 10 est une unité flottante de liquéfaction de gaz naturel, désignée par l’acronyme anglais « FLNG » pour« Floating Liquefied Natural Gas ».
L’installation 10 comporte une coque 14 flottant à la surface de l’étendue d’eau 12, et au moins un pont 16 porté par la coque 14. Le pont 16 est disposé au-dessus de la surface de l’étendue d’eau 12.
L’installation 10 comporte une unité 18 de liquéfaction de gaz naturel, dont les parties pertinentes sont représentées sur la , et un ensemble 20 de fourniture d’eau déminéralisée, par exemple par dessalement à partir d’eau salée prélevée dans l’étendue d’eau 12.
L’unité de liquéfaction de gaz naturel 18 est avantageusement disposée sur le pont 16 et l’ensemble de fourniture d’eau 20 est de préférence logé dans la coque 14.
Dans cet exemple, l’unité de liquéfaction 18 comporte une source de gaz naturel 30 à refroidir, un compresseur amont 31 (ou « booster »), un échangeur thermique amont 32 de pré-refroidissement du gaz naturel provenant de la source 30 après passage dans le compresseur 31, et un échangeur thermique aval 34 de liquéfaction et de sous refroidissement du gaz naturel refroidi issu de l’échangeur thermique principal 32.
L’unité de liquéfaction 18 comporte en outre au moins un cycle amont 36 de refroidissement de l’échangeur thermique amont 32, et un cycle aval 37 de refroidissement de l’échangeur thermique aval 34, au moins un cycle de refroidissement 36, 37 intégrant un ou plusieurs échangeurs thermiques refroidis à l’air 8 selon l’invention.
La source de gaz naturel 30 est reliée à l’installation de production de gaz naturel, avantageusement par l’intermédiaire d’unités de purification du gaz naturel destinées à extraire l’eau, les composés lourds (par exemple les composés en C6+) et les composés soufrés.
Le compresseur 31 est propre à porter la pression du flux de gaz naturel 38A provenant de la source 30 à une pression par exemple supérieure à 5 barg et notamment entre 2 barg et 60 barg.
L’échangeur thermique amont 32 est propre à mettre en relation d’échange thermique sans contact le flux de gaz naturel 38A à refroidir provenant de la source 30, après passage dans le compresseur 31, avec un fluide réfrigérant amont circulant dans le cycle de refroidissement amont 36, pour faire baisser la température du gaz naturel et produire un flux de gaz naturel pré-refroidi 38B.
L’échangeur thermique aval 34 est propre à mettre en relation d’échange thermique sans contact le flux de gaz naturel pré-refroidi 38B avec un fluide réfrigérant aval circulant dans le cycle de refroidissement aval 36, pour liquéfier et sous-refroidir le flux de gaz naturel pré-refroidi 38B et produire un flux 39 de gaz naturel liquéfié (GNL) destiné à être envoyé vers au moins un réservoir de collecte et de stockage du gaz naturel liquéfié (non représenté), par exemple localisé dans la coque 14.
Dans cet exemple, le réservoir de collecte et stockage est propre à être raccordé à un méthanier ou autre barge de transport pour évacuer le gaz naturel liquéfié produit dans l’unité de liquéfaction 18.
Chaque cycle de refroidissement 36, 37 comporte, dans le sens de circulation du fluide réfrigérant depuis la sortie de l’échangeur thermique respectif 32, 34, un appareil de compression 40 à étages, le plus souvent couplé à un organe d’entrainement en rotation 42, notamment une turbine à gaz ou un moteur électrique, et au moins un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8, par exemple disposé entre deux étages de compression de l’appareil 40 ou en/et en aval d’un étage de compression de l’appareil 40.
Chaque cycle de refroidissement 36, 37 comprend en outre de préférence au moins un séparateur liquide/gaz 45 disposé en aval d’un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8. Il comporte au moins un organe de détente 46 du fluide réfrigérant issu d’un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8 ou d’un séparateur liquide/gaz 45 en vue de son introduction dans l’échangeur thermique respectif 32, 34.
Le compresseur 40 est propre à récupérer le fluide réfrigérant réchauffé issu de l’échangeur thermique respectif 32, 34 et à le recomprimer.
L’organe de détente 46 est ici une vanne de détente statique. En variante, l’organe de détente 46 est une turbine de détente dynamique.
L’organe de détente 46 est propre à détendre au moins un flux refroidi 60 ayant été préalablement refroidi dans l’échangeur thermique respectif 32, 34 à la sortie d’un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8 ou/et d’un un séparateur liquide/gaz 45, avant son introduction dans l’échangeur thermique 32, 34. Le flux refroidi détendu dans l’organe de détente 46 fournit la puissance thermique de refroidissement à l’échangeur thermique 32, 34.
En référence à la , l’échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8 comporte une enveloppe 70, au moins un faisceau de tubes 74 traversant l’enveloppe 70, au moins un ventilateur 76 et un ensemble d’amenée de liquide 75 dans le faisceau de tubes 74. Il comporte un ventilateur 76, propre à réaliser l’entraînement d’un flux gazeux à travers le conduit interne 72 autour des tubes du faisceau de tubes 74.
L’enveloppe 70 définit un conduit interne 72 de circulation d’un flux gazeux suivant un axe local A-A’, s’étendant entre une entrée de flux gazeux 77 et une sortie de flux gazeux 78.
Le flux gazeux pénétrant dans l’enveloppe 70 par l’entrée de flux gazeux 77 est de préférence de l’air, avantageusement aux conditions atmosphériques. Après passage dans l’échangeur thermique 8, le flux gazeux extrait par la sortie de flux gazeux 78 présente une température plus élevée qu’à l’entrée de flux gazeux 77. Il est chargé en vapeur d’eau et est sans eau libre.
Le faisceau de tubes 74 traverse le conduit interne 72 pour faire circuler le flux à refroidir à travers le conduit interne 72.
Le faisceau de tubes 74 comprend une pluralité de tubes d’échange thermique 78A destinés à convoyer le flux à refroidir à travers le conduit interne 72. Les tubes d’échange thermique 78A sont propres à placer le flux à refroidir en relation d’échange thermique sans contact avec le flux gazeux circulant dans le conduit interne 72.
Dans cet exemple, les tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74 s’étendent transversalement par rapport à l’axe de circulation A-A’. Ils sont disposés parallèlement les uns aux autres à plusieurs niveaux le long de l’axe de circulation A-A’.
Dans l’exemple représenté sur la , l’axe de circulation A-A’ s’étend verticalement. Les tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74 s’étendent horizontalement à plusieurs niveaux situés les uns au-dessus des autres le long de l’axe vertical.
Les tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74 contiennent de manière étanche exclusivement le flux à refroidir. Les tubes 78A peuvent être lisses sur leurs surfaces externes 78B et/ou internes 78C, ou être équipés d’organes de diffusion thermique 79 (voir ) sous la forme de structures ménagées dans la masse de métal ou d’ailettes rapportées sur la surface externe 78B.
Dans l’exemple illustré sur la , le tube d’échange thermique 78A comporte une pluralité d’organes radiaux de diffusion thermique 79 adjacents disposés transversalement par rapport à l’axe B-B’ du tube d’échange thermique 78A.
Les organes de diffusion thermique 79 sont ici espacés les uns des autres le long de l’axe B-B’. Ils définissent entre eux des interstices 80 successifs.
Chaque interstice 80 est délimité latéralement par deux organes de diffusion thermique 79 successifs. Il est obturé radialement vers l’axe B-B’ par la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A et débouche radialement à l’écart de l’axe B-B’ entre deux organes de diffusion thermique 79 successifs.
Dans le cas d’organes de diffusion thermique 79 rapportés sur la surface externe 78B, les organes 79 sont par exemple sertis, enroulés et pliés ou/et extrudés. Avantageusement, une couverture métallique (par exemple en aluminium) du tube d’échange thermique 78A est placée sur la surface externe 78B pour permettre la fixation des organes 79.
En référence à la , l’hélice du ventilateur 76 est disposée transversalement par rapport à l’axe de circulation A-A’. Dans cet exemple, l’hélice du ventilateur 76 est positionnée en aval du faisceau de tubes 74, par rapport au sens de circulation du gaz à la sortie du conduit 72 défini par l’enveloppe 70. En variante, l’hélice du ventilateur 76 est disposée en amont du faisceau de tubes 74 par rapport au sens de circulation de gaz.
Lorsqu’elle est entrainée en rotation, l’hélice du ventilateur 76 entraine le flux gazeux circulant dans le conduit 72, d’amont en aval autour des tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74.
L’hélice du ventilateur 76 est ici disposée au-dessus des tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74. Elle est propre à engendrer un flux gazeux circulant de bas en haut dans le conduit 72.
L’ensemble d’amenée de liquide 75 comporte une source 90 de liquide, un système de pompage 92 raccordé à la source 90, et une pluralité de diffuseurs de liquide, ici formés par des tubes poreux 94 disposés en regard des tubes 78A du faisceau de tubes 74. L’ensemble d’amenée de liquide 75 comporte en outre selon l’invention au moins un lien poreux 96 (voir figures 3 et 4) raccordant chaque tube poreux 94 à un tube d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74.
La source de liquide 90 est propre à fournir un liquide destiné à s’appliquer sur la surface extérieure 78B d’un tube d’échange thermique 78A, et à s’évaporer sous l’effet de la circulation du flux gazeux autour de la surface extérieure 78B.
Le liquide est par exemple de l’eau déminéralisée. La source est en particulier raccordée à l’ensemble de fourniture d’eau 20 de l’installation 10.
Le système de pompage 92 comprend par exemple une pompe 92A, et un régulateur de débit 92B, propre à ajuster le débit de liquide fourni à chaque tube poreux 94.
En référence à la et à la , chaque tube poreux 94 s’étend en regard d’un tube d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74, à l’écart de celui-ci. Le tube poreux 94 s’étend de préférence parallèlement à l’axe B-B’ du tube d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74. Il comporte une pluralité d’orifices 98 de diffusion d’eau vers la surface 78A répartis le long du tube poreux 94.
Par exemple, le nombre d’orifices 98 par unité de longueur du tube poreux 94 est supérieur à 500 orifices par mètre, notamment compris entre 5 000 orifices par mètre et 50 000 orifices par mètre.
L’étendue transversale maximale de chaque orifice 98 est inférieure à 1 % de l’étendue transversale maximale du tube poreux 94 (qui est le diamètre maximal du tube poreux 94 lorsque celui-ci est cylindrique).
Dans l’exemple représenté sur la , l’étendue transversale maximale du tube poreux 94 est inférieure à l’étendue transversale maximale du tube d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74.
Le tube poreux 94 est par exemple réalisé à partir d’un tube métallique creux, par perçage d’orifices 98 dans le tube métallique. En variante, le tube poreux est réalisé à partir d’une paroi en matériau poreux présentant des orifices 98 préformés.
Le lien poreux 96 est par exemple formé par un fil ou une chaussette, en matériau fibreux. Le matériau fibreux est par exemple un matériau réalisé à base de fibre naturelle, de fibre synthétique, ou/et de fibre métallique. Des exemples de fibres naturelles sont des fibres de lin, des fibres de chanvre, ou/et des fibres de coton. Des exemples de fibres synthétiques sont des fibres en polymère, ou des fibres en matériaux céramique. Des exemples de fibres métalliques sont de la paille de de fer en inox, en aluminium, en laiton ou/et en cuivre.
Les fibres sont assemblées entre elles par enroulement, tressage, et/ou tissage, pour former le lien poreux 96.
Le lien poreux 96 est généralement allongé en ce qu’il comprend une longueur au moins 10 fois supérieure à sa largeur et à son épaisseur.
Le lien poreux 96 définit au moins un enroulement 100 disposé partiellement autour du tube poreux 94 et au moins partiellement autour du tube d’échange thermique 78A en formant des boucles ou des parties de boucle.
Dans l’exemple représenté sur la , le lien poreux 96 définit une pluralité d’enroulements 100 successifs réalisés à partir d’un même fil ou de la même chaussette, chaque enroulement successif 100 étant lié aux enroulements adjacents 100.
Comme illustré par les figures 3 et 4, chaque enroulement 100 comporte une région amont 102 disposée sur une partie de la périphérie du tube poreux 94, au moins une région aval 104 disposée autour d’une partie de la périphérie de la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A, et au moins un brin 106A, 106B raccordant une région amont 102 à une région aval 104.
Comme illustré par la , la région amont 102 est appliquée sur une partie d’une circonférence du tube poreux 94 en regard d’orifices 98 entre une extrémité amont 108A et une extrémité aval 110A, par exemple sur une étendue angulaire supérieure à 10° autour de l’axe du tube poreux 94, ici à l’opposé du tube d’échange thermique 78A.
La région aval 104 est appliquée sur une partie de la circonférence de la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A entre une extrémité amont 108B et une extrémité aval 110B, par exemple sur une étendue angulaire supérieure à 10° autour de l’axe B-B’, ici à l’opposé du tube poreux 94.
La région aval 104 est en particulier située au fond de l’interstice 80 entre les organes de diffusion thermique 79, dans l’exemple représenté sur la .
L’enroulement 100 comporte dans cet exemple au moins un brin amont 106A raccordant l’extrémité aval 110A de la région amont 102 à l’extrémité amont 108B de la région aval 104.
L’enroulement 100 comporte en outre un brin aval 106B raccordant l’extrémité aval 110B de la région aval 104 à l’extrémité amont 108A d’une région amont 102 d’un enroulement 100 adjacent.
La région amont 102 de l’enroulement 100 est raccordée à son extrémité amont 108A à un brin 106B d’un enroulement 100 adjacent.
Ainsi, le liquide amené par le tube poreux 94 et s’évacuant à travers les orifices 98 est propre à être recueilli dans la région amont 102, puis à être conduit dans les pores du lien poreux 96 jusqu’à la région aval 104 à travers le brin 106A pour s’appliquer sur la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A.
Le fonctionnement de l’installation 10 de liquéfaction de gaz naturel mettant en œuvre au moins un échangeur thermique 8 selon l’invention va maintenant être décrit.
Initialement, du gaz naturel sous pression est produit à partir d’un réservoir souterrain, et est conduit jusqu’à la source 30 sur l’installation 10. Le flux de gaz naturel 38A est comprimé dans l’échangeur 31 puis est convoyé à travers l’échangeur thermique principal 32 pour entrer en relation d’échange thermique avec un fluide réfrigérant circulant dans le cycle de refroidissement 36.
Le gaz naturel est ainsi refroidi, par exemple jusqu’à une température entre -100°C et -164°C en fonction de la qualité du gaz et du procédé de liquéfaction.
Le flux de gaz naturel pré-refroidi 38B est ensuite convoyé dans l’échangeur thermique 34 pour y être liquéfié et sous-refroidi. Le flux de gaz naturel liquéfié 39 est récupéré dans un réservoir avant d’être évacué par l’intermédiaire d’un méthanier ou d’une barge.
Le fluide réfrigérant réchauffé issu de l’échangeur thermique principal 32 est amené au compresseur 40 pour y être compressé. Puis, il est convoyé sous forme d’un flux à refroidir jusqu’à l’échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8 pour circuler dans les tubes du faisceau de tubes 74.
Simultanément, l’ensemble d’amenée de liquide 75 est activé. Avantageusement, de l’eau déminéralisée provenant de l’ensemble de fourniture d’eau 20 est convoyée par le système de pompage 92 jusqu’à chaque tube poreux 94. Le ventilateur 76 est également activé pour engendrer une circulation d’un flux gazeux dans le conduit 72 le long de l’axe de circulation A-A’.
Le liquide amené par le tube poreux 94 s’évacue à travers les orifices 98 et imbibe la région amont 102 du lien poreux 96. Le liquide est conduit dans les pores du lien poreux 96 jusqu’à la région aval 104 à travers le brin 106A pour s’appliquer sur la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A.
L’eau présente sur les tubes d’échange thermique 78A s’évapore au contact de la surface extérieure 78B des tubes d’échange thermique 78A, engendrant une puissance thermique de refroidissement du flux à refroidir qui circule à travers les tubes d’échange thermique 78A du faisceau de tubes 74.
La présence du lien poreux 96 permet un convoyage efficace et simple du liquide vers la surface externe 78B, même lorsque ce liquide doit être convoyé à travers des organes radiaux de diffusion thermique 79 dans des interstices 80 de faible largeur.
Le liquide étant convoyé dans la porosité du lien 96, le risque qu’il s’évapore avant d’atteindre la surface externe 78B ou qu’il ne reste pas en contact avec la surface externe 78B et glisse rapidement le long du périmètre de la surface externe 78B avant de s’en détacher est grandement diminué, voire supprimé.
Ainsi, le temps de parcours du liquide sur la surface externe 78B est suffisant pour entièrement évaporer le liquide. Ceci évite la production de liquide résiduel qui doit être pompé et/ou qui est moins efficace en terme d’échange thermique.
Le régulateur de débit 92B pilote le débit de liquide fourni aux tubes poreux 94 pour qu’à la sortie du faisceau de tubes 74, tout le liquide délivré sur la surface externe 78B se soit évaporé.
Le débit optimal d’eau fourni aux tubes poreux 94 est déterminé automatiquement de façon à satisfaire des valeurs de consignes en température du fluide à refroidir ou de froid à apporter dans le cas d’une condensation partielle. Le régime de fonctionnement du ou des ventilateurs 76 peut être associé à cette optimisation du débit d’eau.
Le débit optimal d’eau peut en outre être prédit par calcul à chaque instant par le régulateur de début 92B en fonction des paramètres physiques de l’échangeur, de la température et/ou humidité de l’air ambiant, du débit d’air engendré par le ventilateur 76 et de la chaleur à évacuer côté procédé.
Ceci optimise l'efficacité du refroidissement par évaporation, tout en évitant la récupération d'eau libre en aval du faisceau de tubes 74.
Ce calcul de l’optimisation du débit est basé sur les algorithmes de calculs d’échanges thermiques qui ont servi à définir l’équipement.
Ainsi, le flux à refroidir est refroidi de manière particulièrement efficace, avec un échangeur thermique refroidi par un flux gazeux 8 qui ne nécessite pas une tuyauterie encombrante d’amenée d’eau dans l’installation 10.
Dans un mode de réalisation, le liquide est délivré en continu par le régulateur de débit 92B depuis le tube poreux 94 vers le lien poreux 96. En variante, le liquide est délivré de manière intermittente par le régulateur de débit 92B depuis le tube poreux 94 pour imprégner le lien poreux 96, avec des intervalles de diffusion de liquide par exemple périodiques et des intervalles d’absence de diffusion de liquide.
Une quantité de liquide est alors présente en permanence dans la porosité du lien poreux 96. Ce liquide est ainsi propre à s’évaporer, même en l’absence de fourniture continue par le tube poreux 94.
Dans la variante illustrée par les figures 5 et 6, le tube d’échange thermique 78A est dépourvu d’organes radiaux de diffusion thermique 79. Le tube poreux 94 est alors placé au voisinage de la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78A.
Le lien poreux 96 est alors dépourvu de brins intermédiaires 106A, 106B. L’extrémité aval 110A de la partie aval 102 est raccordée directement à l’extrémité amont 108B de la partie amont 104.
Dans une variante, les surfaces des organes radiaux de diffusion thermique 79 situées en regard de chaque interstice 80 ou/et la surface externe 78B au fond des interstices sont munies d’un revêtement hydrophile.
Le revêtement hydrophile est par exemple en polymère, notamment choisi parmi l'alcool polyvinylique, la gélatine, la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose, l'oxyde de polyéthylène, la polyvinylpyrrolidone, l'acide polyacrylique et d'autres polyélectrolytes, tels que l'acide polyméthacrylique, l'acide polyéthacrylique, l'acide polychloroacrylique. l'acide polycrotonique, l'acide polycyanoacrylique, etc.
Avantageusement, le revêtement hydrophile est obtenu par dépôt sol-gel, par revêtement par centrifugation, par plasma, par laser ou/et par dépôt chimique en phase vapeur.
Ainsi, le liquide est guidé également entre les surfaces des organes radiaux de diffusion thermique 79 jusqu’à la surface externe 78B.
Dans une variante non représentée, l’ensemble d’amenée de liquide 75 est dépourvu de tube poreux 94. Le liquide est convoyé par un diffuseur de liquide qui est par exemple un système d’aspersion. Le lien poreux 94 présente entoure simplement la surface externe 78B au fond des interstices 80. Comme précédemment, le lien poreux 94 est apte à stocker du liquide en l’absence de diffusion de liquide par le système d’aspersion.
Dans encore une variante non représentée, l’ensemble d’amenée de liquide 75 est dépourvu de lien poreux 96, le liquide délivré par le tube poreux 94 étant alors exclusivement guidé par le revêtement hydrophile.
Dans les exemples représentés sur les figures 3 à 6, un lien poreux 96 continu est utilisé pour réaliser plusieurs enroulements 100 raccordant le tube poreux 94 à un tube d’échange thermique 78A.
Dans les variantes représentées sur les figures 7 à 10, plusieurs liens poreux 96 successifs sont utilisés, chaque lien poreux 96 constituant avantageusement un seul enroulement 100.
Chaque enroulement 100 est alors un passant fermé présentant deux boucles définissant respectivement la région amont 102 et la région aval 104.
Dans l’exemple représenté sur les figures 7 et 8, l’extrémité aval 110B de la région aval 104 est raccordée via le brin aval 106B à l’extrémité amont 108A de la région amont 102 du même enroulement 100.
Un lien poreux 96 est alors inséré dans chaque interstice 80 entre deux organes radiaux de diffusion thermique 79 successifs.
Dans l’exemple illustré par les figures 9 et 10, comme sur les figures 5 et 6, le tube d’échange thermique 78A est dépourvu d’organes radiaux de diffusion thermique 79. Une succession de liens poreux 96 disjoints, chacun formé d’un passant fermé définissant un enroulement 100 raccorde alors le tube poreux 94 à la surface externe 78B du tube d’échange thermique 78.
L’extrémité aval 110B de la région aval 104 est raccordée directement à l’extrémité amont 108A de la région amont 102 du même enroulement 100.
Dans une variante (non représentée), le lien poreux présente une surface hydrophile, par exemple en étant réalisé d’un des matériaux listés ci-dessus ou/et en étant obtenu par un procédé de traitement décrit plus haut.
Plus généralement, l’échangeur thermique 8 selon l’invention peut être utilisé dans une installation 10 située à terre, par exemple dans une installation de liquéfaction de gaz naturel située à terre.

Claims (17)

  1. Echangeur thermique (8), destiné à être refroidi par un flux gazeux, comprenant :
    - au moins un tube d’échange thermique (78A), propre à recevoir un fluide destiné à être refroidi, le tube d’échange thermique (78A) présentant une surface extérieure (78B) pleine ;
    - un ventilateur (76), propre à faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure (78B) du tube d’échange thermique (78A) ;
    - un ensemble (75) d’amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure (78B),
    caractérisé en ce que l’ensemble d’amenée de liquide (75) comprend un diffuseur de liquide destiné à convoyer le liquide au voisinage de la surface extérieure (78B), l’ensemble d’amenée de liquide (75) comportant en outre au moins un lien poreux (96) présentant au moins un enroulement (100) comportant une région aval (104) appliquée sur la surface extérieure (78B) pour distribuer le liquide provenant du diffuseur de liquide sur la surface extérieure (78B).
  2. Echangeur thermique (8) selon la revendication 1, dans lequel le ou les liens poreux (96) forment une pluralité d’enroulements (100) successifs le long du tube d’échange thermique (78A), définissant une pluralité de régions aval (104) successives s’étendant sensiblement transversalement par rapport à un axe longitudinal du tube d’échange thermique (78A).
  3. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube d’échange thermique (78A) comporte des organes radiaux d’échange thermique (79), en particulier des ailettes, faisant saillie radialement par rapport à la surface extérieure (78B), et délimitant un interstice (80) entre chaque paire d’organes radiaux d’échange thermique (79) adjacents, le diffuseur de liquide étant disposé à l’extérieur de l’interstice (80), la ou chaque région aval (104) étant disposée dans l’interstice (80).
  4. Echangeur thermique (8) selon la revendication 3, dans lequel les surfaces des organes radiaux d’échange thermique (79) situées en regard de chaque interstice (80) ou/et la surface extérieure (78B) au fond des interstices (80) sont munies d’un revêtement hydrophile.
  5. Echangeur thermique (8) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le tube d’échange thermique (78A) est dépourvu d’organe radial d’échange thermique (79).
  6. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le diffuseur de liquide comprend un tube poreux (94) présentant une pluralité d’orifices (98) de sortie de liquide, l’enroulement (100) comportant une région amont (102) propre à être imbibée de liquide provenant des orifices (98) du tube poreux (94), la région aval (104) étant accordée à la région amont (102).
  7. Echangeur thermique (8) selon la revendication 6, dans lequel la région amont (102) est appliquée sur le tube poreux (94) en regard des orifices (98).
  8. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel la région aval (104) forme une boucle aval ou une partie de boucle aval appliquée sur la surface extérieure (78B), présentant une extrémité amont (108B) et une extrémité aval (110B), le lien poreux (96) comportant au moins un brin intermédiaire amont (106A) raccordant l’extrémité amont (108B) de la région aval (104) à la région amont (102), et dans lequel, éventuellement, la région amont (102) forme une boucle amont ou une partie de boucle amont présentant une extrémité amont (108A) et une extrémité aval (110A), le brin intermédiaire amont (106A) raccordant l’extrémité aval (110A) de la région amont (102) à l’extrémité amont (108B) de la région aval (104).
  9. Echangeur thermique (8) selon la revendication 8, dans lequel le lien poreux (96) comporte au moins un brin intermédiaire aval (106B) raccordant l’extrémité aval (110B) de la région aval (104) à une extrémité amont (108A) d’une région amont (102) d’un autre enroulement (100) du lien poreux (96) ou à l’extrémité amont (108A) de la région amont (102) du même enroulement (100) du lien poreux (96).
  10. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel la région aval (104) forme une boucle aval ou une partie de boucle aval présentant une extrémité amont (108B) et une extrémité aval (110B), la région amont (102) formant une boucle amont ou une partie de boucle amont présentant une extrémité amont (108A) et une extrémité aval (110A), une extrémité aval (110A) de la région amont (102) étant confondue avec l’extrémité amont (108B) de la région aval (104) sans brin intermédiaire entre la région amont (102) et la région aval (104).
  11. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le lien poreux (96) est formé d’un fil, d’un ruban ou d’une chaussette.
  12. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le lien poreux (96) est fibreux, en étant constitué avantageusement de fibres naturelles, de fibres synthétiques et/ou de fibres métalliques.
  13. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un faisceau (74) de tubes d’échange thermique (78A) parallèle, l’ensemble d’amenée de liquide (75) comportant au moins un lien poreux (96) s’étendant sur la surface extérieure (78B) de chaque tube d’échange thermique (78A).
  14. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une enveloppe (70) définissant un conduit interne (72) de circulation du flux gazeux, le tube d’échange thermique (78A) étant reçu dans le conduit interne (72), le diffuseur de liquide s’étendant au moins en partie dans le conduit interne (72).
  15. Echangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble d’amenée de liquide comprend un régulateur de débit (92B) configuré pour contrôler le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux (94), le régulateur de débit (92B) étant configuré pour que le débit de liquide diffusé par le diffuseur de liquide vers le lien poreux (94) soit intermittent avec des intervalles de diffusion de liquide et des intervalles d’absence de diffusion de liquide, le lien poreux (94) étant propre, dans chaque intervalle d’absence de diffusion de liquide à stocker au moins une partie du liquide diffusé dans un intervalle de diffusion de liquide précédent.
  16. Installation (10) de liquéfaction de gaz naturel, notamment installation flottante de liquéfaction de gaz naturel, comportant au moins un dispositif d’échange thermique (32, 34) propre à refroidir un flux de gaz naturel, et pour le ou chaque dispositif d’échange thermique (32, 34) au moins un cycle (36, 37) de refroidissement du dispositif d’échange thermique (32, 34), le cycle de refroidissement (36, 37) comprenant au moins un échangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  17. Procédé d’échange thermique par un flux gazeux entre un flux propre à être refroidi et un flux gazeux comportant les étapes suivantes :
    - circulation du flux à refroidir dans au moins un tube d’échange thermique (78A) d’un échangeur thermique (8) selon l’une quelconque des revendications 1 à 15,
    - activation du ventilateur (76), pour faire circuler un flux gazeux autour de la surface extérieure (78B) du tube d’échange thermique (78A) ;
    - amenée de liquide destiné à s’évaporer sur la surface extérieure (78B) par l’ensemble (75) d’amenée de liquide et évaporation du liquide sur la surface extérieure (78B),
    caractérisé en ce que l’amenée de liquide (75) comprend le convoyage du liquide au voisinage de la surface extérieure (78B) à travers le diffuseur de liquide, et l’imbibition, par du liquide provenant du diffuseur de liquide, de la région aval (104) appliquée sur la surface extérieure (78B) pour distribuer le liquide sur la surface extérieure (78B).
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