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.

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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

Le 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

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)

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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.