Maîtrise de l'entartrage dans des échangeurs de chaleur via l'utilisation de traitements physiques - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Control of scaling in heat exchangers through the use of physical treatments

Maîtrise de l'entartrage dans des échangeurs de chaleur via l'utilisation de traitements physiques

Abstract

In order to study the impact of the heterodyne effect on the formation of mineral deposits from domestic water networks in a heat exchanger, an experimental pilot was set up to test this technology on two types of heat exchangers, plate and joint exchanger and platelet exchanger. Several operating parameters such as flow rate, time, and temperature were experimentally tested in order to identify their influence on calcium carbonate precipitation and scale formation in the exchanger. In order to approve the efficiency of the heterodyne effect, a comparison was made with other physical treatments that were tested on the same pilot, namely: ultrasonic treatment at two different frequencies, low frequency, and low-intensity electromagnetic treatment, and the ultrasonic-electromagnetic coupling. The first part of this work focused on numerical modeling, two software were used, Phreeqc interactive and COMSOL Multiphysics 6.0. On the one hand identify the nature of crystallized polymorphism, whether at the pilot-scale or at the industrial scale. And on the other hand to identify the sensitive areas for the formation of the deposit in order to know the location of the ultrasonic system, and to model the dispersion of the ultrasonic waves at different frequencies and power, either in the water or in the metallic surfaces of the exchanger. The results of the numerical analysis obtained by these models were then compared to the experimental measurements.A series of laboratory-scale experiments, with or without the physical treatment, is performed on an exchanger that has been insulated from the outside with an insulating cover and equipped with thermocouples in order to evaluate the impact of the physical treatment tested on the heat transfer. 100 Liters of water with a scaling capacity (30°F) was heated to 50°C within the exchanger for 72 hours in a closed circuit. Due to the high content of dissolved calcium carbonate and the decrease of its solubility when the temperature increases, a precipitate of calcium carbonate forms inside the heat exchanger, but also in the water, as well as on the walls of the exchanger. At the end of each experiment, the deposit is dissolved in 5% (vol.) nitric acid and analyzed by ICP-AES spectroscopy to perform a complete material balance and determine the amount of scale precipitated on the exchanger plates. A dismantling of the exchanger was carried out in each type of test in order to analyze the distribution of the deposit in the whole of the plates by 3D digital microscopy and confocal microscopy, to analyze the precipitated polymorphism by RAMAN spectroscopy and scanning electron microscopy, and the size distribution of the precipitated particles by laser granulometry. The results obtained show that the heterodyne-guided waves allow reducing 65,46% of the deposit. On the other hand, the treatment that allows better reduction is the electromagnetic treatment with a percentage of reduction of 76,83%, without changing the nature of polymorphism. At present, all the physical treatments tested allow a reduction in the amount deposited, but do not prevent the total formation of the deposit. These methods aim to minimize the occurrence of fouling. They are preventive rather than corrective methods.
L'objectif de ce travail est d'étudier l'impact d'un traitement « physique » sur la formation d'un dépôt minéral dans un échangeur de chaleur. Plus particulièrement, on s'intéressera à l'effet des ondes ultrasoniques, ainsi qu'à l'effet d'un traitement électromagnétique. Pour mener à bien cette étude, un pilote expérimental a été mis en place afin de tester ces traitements sur deux types d'échangeur de chaleur, un échangeur à plaques et joints et un échangeur platulaire. Plusieurs paramètres de fonctionnement tels que le débit, la durée et la température ont été testés expérimentalement, afin d'identifier leur influence sur la précipitation du carbonate de calcium et la formation de tartre dans l'échangeur. Pour mettre en évidence l'efficacité des traitements cités, une comparaison a ensuite été réalisée entre des expériences sans aucun traitement et des expériences avec un traitement physique, en utilisant une eau de réseau avec un léger pouvoir entartrant. La solubilité inverse du carbonate de calcium et le chauffage de l'eau dans l'échangeur initient la précipitation du carbonate de calcium dans l'eau ainsi que sur les parois de l'échangeur en contact avec cette eau. Les traitements physiques testés sont le traitement ultrasonique à deux fréquences différentes, le traitement électromagnétique de basse fréquence et de faible intensité, et le couplage traitements ultrasonique et électromagnétique. La première partie de ces travaux s'est portée sur une modélisation numérique, l'une avec Phreeqc interactive pour identifier les phases cristallisées et l'autre avec Comsol Multiphysique 6.0 pour identifier les zones de l'échangeur les plus sensibles à la formation du dépôt. Cela permettra notamment de positionner de façon optimale le dispositif ultrasonique, et de modéliser la dispersion des ondes ultrasoniques dans l'échangeur. Les résultats de l'analyse numérique obtenue par ces modèles ont ensuite été comparés aux mesures expérimentales. Les expériences réalisées permettent de quantifier le dépôt dans l'échangeur (via la dissolution de celui-ci dans une solution d'acide nitrique et le dosage du calcium à l'ICP), ou de qualifier ce dépôt (via un démontage de l'échangeur et des observations du dépôt au microscope). Les résultats obtenus montrent que le traitement ultrasonique permet de réduire d'environ 65% le dépôt, tandis que l'efficacité du champ électromagnétique est de l'ordre de 75%. Le couplage des deux traitements n'est pas bénéfique. A l'heure actuelle, tous les traitements physiques testés permettent une réduction de la quantité de tartre déposé, mais n'empêchent pas la formation du dépôt. Ces traitements n'affectent pas le polymorphisme du carbonate de calcium : dans tous les cas, le dépôt analysé est de la calcite. D'un point de vue industriel, ces traitements permettront de maintenir plus longtemps un bon transfert thermique et de réduire la fréquence de maintenance des échangeurs.
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tel-04129233 , version 1 (15-06-2023)

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  • HAL Id : tel-04129233 , version 1

Cite

Nihad Kamar. Maîtrise de l'entartrage dans des échangeurs de chaleur via l'utilisation de traitements physiques. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0209⟩. ⟨tel-04129233⟩
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