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Echangeur tube/calandre
En procédé certaines réactions chimiques demandent de la chaleur d’autres en dégagent. Les échangeurs de chaleur permettent de transférer l’énergie calorifique d’un fluide à un autre.
Il existe deux grands types d’échangeurs de chaleur :
- A plaque
- Tube / Calandre
Les échangeurs de chaleur peuvent aussi être des condenseurs, des évaporateurs... Cet article ne présentera que les échanges thermiques qui ne présentent pas de changement de phase.
I. Les échangeurs tubes/calandre
Figure 1 : Echangeur tube calandre
a) Coté tube :
En général le fluide qui circule du coté tube correspond à :
- Fluide à haute pression
- Fluide encrassant
b) Coté calandre :
Le coté clandre est priviligié pour les cas suivants :
- Fluide basse pression
- Steam
Il n’existe pas un seul modèle d’échangeur tubes calandres. En plus des dimensions et nombre de tubes, les échangeurs peuvent avoir des configurations différentes. La figure ci-dessous présente les différentes configurations possibles.
Figure 2 : Les différentes configurations d’échangeur Tube/calandre
II. Les échangeurs à plaque
Figure 3 : Echangeur à plaque
Avantage :
- Grande flexibilité puisque les plaques sont démontables
- Le prix est peu élevé puisqu’il n’y pas beaucoup de manufacture
Inconvénients :
- Ce type d’échangeur a tendance à fuir
- Ils nécessitent beaucoup d’entretien.
III. Circulation des fluides
Dans un échangeur de chaleur, il y a un fluide froid (bleu) et un fluide chaud (rouge). Plusieurs configurations sont possibles.
a) Les différents types de circulation du fluide
- Co courant
Figure 4 : Echange co-courantLe fluide chaud et le fluide froid vont dans le même sens.
- Contre-courant
Figure 5 : Echange contre-courant
Le fluide chaud et le fluide froid vont dans le sens contraire. Ce type d’échange est plus efficace que le co-courant et par conséquent réduit la surface d’échange (coût de l’équipement plus faible).
- Courant croisé
Les fluides se croisent. Ce type d’échangeur est très utilisé pour les échanges avec l’air. Le radiateur d’une voiture est un courant croisé.
a) Les différentes configuration d’échangeurs
Les échangeurs peuvent fonctionner de manière isolés ou peuvent être en série ou en parallèle.
- Echangeur en série
Figure 6 : Echangeurs en série
Le fluide froid passe au travers de différents échangeurs en série. Ce type de configuration est nécessaire lorsque la surface d’échange nécessaire au refroidissement/réchauffage est importante.
- Echangeur en parallèles
Figure 7 : Echangeurs en parallèle
Ce type de configuration est utilisé lorsque la capacité de l’unité est variable, permettant ainsi un contrôle plus efficace de l’unité.
IV. Dimensionnement
Les principales caractéristiques des échangeurs étant définies, il reste à établir le design. Il faut établir la puissance de l’échangeur, sa surface d’échange et ses dimensions.
a) Coté Tube
Calcul de la puissance d’un échangeur
La puissance d’un échangeur se calcule avec la formule suivante.
- Q = Puissance de l’échangeur (W)
- m = Débit de fluide (kg/s)
- Cp = capacité calorifique (J/kg.s)
- dT = Différence entre la température d’entrée et de sortie (°C)
La puissance obtenue permet de situer l’échangeur par rapport aux autres (petite ou grande puissance) d’unités du complexe. De plus, cela permet de vérifier si le calcul n’est pas aberrant pour une augmentation de capacité.
Calcul de la surface d’échange
La principale caractéristique des échangeurs correspond à la surface d’échange. Cette surface se calcule avec la formule ci-dessous.
- Q = Puissance de l’échangeur (W)
- U = coefficient de transfert (W/m².°C)
- A = Surface d’échange coté tube (m²)
- dT = Différence entre la température d’entrée et de sortie (°C)
Afin de pouvoir utiliser cette formule, il faut connaître quelques valeurs du coefficient de transfert, U. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs pour des échanges Liquide/Liquide, Gaz/Gaz. Ces valeurs ne sont que des approximations.
Le coefficient de transfert devra être calculé en fonction des caractéristiques votre fluide selon les différents échanges thermiques (convection, conduction et radiation).
Tableau 1 : Coefficient de transfert
Phase
Matériau du tube
Coefficient de transfert
(W/m². K)
Eau (L) / Eau (L)
Cast Iron
230 - 280
Mild steel
340 - 400
Cuivre
340 - 450
Eau / Air (ou Gaz)
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7.9 - 13
Vapeur d’eau / Air (ou Gaz)
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11 - 17
Vapeur d’eau / Eau
Stainless steel
680
Cast Iron
910
Mild steel
1050
Air / Air
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5.7 – 7.9
Les coefficients de transferts dépendent du fluide, du matériau utilisé, de la LMTD, de la vitesse du fluide.
Calcul du nombre de tubes
La vitesse dans les tubes est d’environs 3 m/s. Grâce à cette vitesse, il est possible de déterminer le nombre de tubes nécessaire pour l’échangeur avec la formule suivante :
- Qv = Débit volumique du fluide (m3/s)
- V = Vitesse du fluide dans les tubes (m/s)
- S = Section d’un tube (m²)
- n = Nombre de tube
Le nombre de tube est souvent conditionné en faisceau, c’est pourquoi il n’est pas toujours égal au nombre de tubes calculés.
Calcul de la longueur des tubes
La longueur des tubes d’un échangeur est calculé avec la formule suivant :
A = n π d L
- A = surface totale des tubes (m²)
- n = Nombre de tube
- d = Diamètre des tubes
- L = Longueur des tubes
La longueur des tubes d’un échangeur tube calandre ne doit pas dépasser 5 m pour des raisons de transport et de praticité. Pour augmenter la surface d’échange sans dépasser les 5 m, il est parfois nécessaire d’augmenter le nombre de passe.
Arrangement des tubes
Les tubes peuvent-être arrangés selon un pas carré ou un pas triangulaire.
b) Coté Calandre
La calandre doit pouvoir contenir le volume de tous les tubes et l’espace entre chaque tube ainsi qu’un volume entre les tubes et la calandre.
L’espace entre les tubes (Pitch) est donné grâce au tableau suivant :
Tableau 2 : Valeur du Pitch (issue de Chemical Engineering Handbook)
Enfin, des « baffles » peuvent-être ajoutés coté calandre. Ces plaques métalliques « cassent le fluide » et par conséquent augmente les phénomènes de convection du fluide coté calandre. Ces plaques présentent aussi l’avantage d’augmenter la résistance mécanique de l’échangeur. Les baffles sont répartie tous les 500 mm environs.
IV. Conclusion
Les échangeurs sont des équipements importants et complexes à dimensionner. Chaque échangeur est particulier à cause des fluides qui y circulent. Il faut donc bien veiller au calcul des coefficients de transfert pour avoir l’échangeur le plus exact possible.
Des logiciels spécialisés sont à la disposition des fournisseurs. Certains logiciels sont internes au fournisseur d’autre sont en vente tel que HTRI (Professionnel) ou encore Shell and tube Heat Exchanger (gratuit).
J.M.
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Comments
1samirWednesday 9th October 2013 at 11:02bonjour, a ce que il ya un coefficient de transfert moyen pour un resau d'echangeurs .Répondre2IssamFriday 16th December 2016 at 08:00Bonjour, je voudrais savoir si il y a une réglementation spécifique aux échangeurs comme la réglementation thermique pour les bâtiments avec tous les coefficients de transmission en fonction des matériaux le constituant ?
Merci.
Cordialement.-
Monday 9th January 2017 at 11:22
Bonjour,
Non je n'ai rien concernant ces normes.
J. M.
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3Rafika maaliFriday 21st April 2017 at 13:28Bonjour,je voudrais savoir les dimensions (tubes et calandres) ou bien les coefficients d'échanges des échangeurs:700kw;1200kw et 8MW
merci
4M.AbdelkaderMonday 22nd May 2017 at 17:57Salut,
est ce que c'est possible de m'aider a avoir des documentation sur les normes ASME et TEMA je veux calculer les dimensions d'un échangeur de chaleur a tubes et a calandre (calcule de la plaque tubulaire, Calandre, Tubes, Brides ...) SVP.
Cordial Salutations.5AdeodatoFriday 31st August 2018 at 19:18Pela razão que o admin deste web site está funcionando, não
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S'il vous plait si vous avez un livre ou bien un document qui contient un tableau qui donne le coefficient de transfer de chaleur U d'un échangeur á tubes et calandre phase (boue de forage á base d'huile/air) ?? Mercii d'avance
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