L'encrassement est défini comme la formation d'un dépôt sur les surfaces d'échange des échangeurs thermiques, créant une résistance supplémentaire aux transferts de chaleur dans ces dispositifs. Ces phénomènes, rencontrés dans de nombreux procédés industriels, nuisent aux récupérations d'énergie. Cette étude porte sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l'encrassement dans les échangeurs thermiques de train de préchauffe. Deux voies sont étudiées dans ces travaux: l'identification de paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d'un dépôt encrassant dans les échangeurs actuellement en place en raffinerie et la recherche de technologies d'échangeurs retardant l'encrassement. Une boucle d'essais innovante, permettant de reproduire les niveaux de température, de pression et de débits rencontrés en fin de train de préchauffe, a été construite. Les fluides, i.e. du pétrole brut et du résidu atmosphérique, coupe lourde du pétrole, sont conservés. Deux technologies d'échangeurs sont étudiées au cours de cette thèse: un échangeur tubes et calandre, actuellement la plus rencontrée en raffinerie, et un échangeur à plaques soudées. La première section d'essais, dimensionnée de manière à reproduire les niveaux d'échanges thermiques et les écoulements des échangeurs industriels, joue un rôle de référence et permet une étude paramétrique de l'encrassement. L'efficacité des échangeurs Compabloc sur la réduction de l'encrassement est étudiée via la seconde section d'essais. Enfin, un travail sur l'optimisation des paramètres de modèles d'encrassement existants a été réalisé en vue d'améliorer la précision de leurs prédictions. / Fouling is considered as one of the major unsolved problem in heat exchangers. It generates additional resistances to heat transfer, a decrease of the thermal effectiveness and an increase of pressure drop in industrial units. Those phenomenon, meet on several industrial process, increase the energy consumption with detrimental environmental and economical consequences. Because of complex chemical composition, crude oil fouling mechanisms are not well understood. Also, poor plant data makes analyses of performance of different exchangers in fouling condition limited. An innovative test loop was designed to study hydrocarbon fouling in industrial operating conditions. Test sections were constructed to be representative of industrial heat exchanger technologies. The first technology tested was a shell and tubes heat exchanger, the most common heat exchanger technology in refinery pre-heat train. Experimental results and process data from test bench showed that the test section fouling behavior is similar to an industrial heat exchanger. The fouling test loop was validated by measuring fouling rates close to both literature and industrial values. After this first step of validation, the efficiency of a cross flow plate heat exchanger on reducing fouling in refinery preheat train was tested. In order to improve heat exchanger sizing, fouling models parameters were optimised.

Les échangeurs thermiques aéronautiques sont soumis à un environnement complexe combinant pression, température et vibrations. L'objectif de cette thèse est l'analyse du comportement statique et dynamique du faisceau d'un tel échangeur. Ce faisceau est une structure complexe périodique 3D composée d'un empilement alterné d'intercalaires où passe l'air chaud et froid respectivement. Différentes approches analytiques et numériques basées sur l'étude d'une cellule élémentaire de la structure sont employées pour modéliser le comportement statique global du faisceau à chaud et à froid. Les résultats statiques sont validés par essais expérimentaux sur différents types d'éprouvettes. À l'issue de cette partie, deux modèles sont proposés pour remplacer la structure réelle du faisceau : un modèle «homogène» et un modèle «stratifié». L'étude dynamique, expérimentale et numérique, montre que ces deux modèles sont capables de prédire de manière satisfaisante le comportement dynamique du faisceau.

L'objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l'intégrité et la durée de vie d'échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l'échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l'échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l'échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l'aide d'un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l'échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l'échangeur est évaluée à partir d'une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l'évaluation du nombre de cycles à rupture.

L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l’intégrité et la durée de vie d’échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l’échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l’échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l’échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l’aide d’un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l’échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l’échangeur est évaluée à partir d’une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l’évaluation du nombre de cycles à rupture. / This study proposes a simple methodology to estimate the mechanical response and lifetime of weldedheat exchangers subjected to thermal loadings. The structure of the heat exchanger is modeled toestimate its mechanical response for thermal loads. Thermoelastic calculations are carried out with thefinite elements method. From these simulations, the regions where the stress concentrates areidentified. Then, a micromechanics approach is adopted to identify the material’s elastic plasticresponse with isotropic and kinematic hardening. Its durability under oligocyclic fatigue isinvestigated with an original 4 points alternate bending.d vice. From these experiments, a Manson-Coffin criterion is identified. This criterion is used to estimate the heat exchangers lifetime in terms ofmaximum cycles for thermal loadings with different magnitude. To this end, the plastic deformation isestimated from the macroscopic calculation with an energy equivalence between the thermoelasticcalculation and the non linear one. The predictions are found in agreement with experimental datacarried out on test-heat exchangers, for both the thermoelastic response and the number at cycles atrupture.