Échangeur de Chaleur à Plaques (PHE) Expliqué

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à plaques ?

Les échangeurs de chaleur à plaques sont parmi les types d'échangeurs de chaleur les plus utilisés aujourd'hui ; un autre type courant est l'échangeur de chaleur à tubes et calandre. L'échangeur de chaleur spiralé est également utilisé dans des applications industrielles, mais son utilisation est moindre comparée aux deux autres types d'échangeurs de chaleur.

Les échangeurs de chaleur à plaques sont largement utilisés dans l'ingénierie en raison de leur efficacité, robustesse, et facilité d'entretien.

Échangeur de Chaleur à Plaques Assemblé

Échangeur de Chaleur à Plaques Assemblé

 

Composants de l'Échangeur de Chaleur à Plaques (PHE)

Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués de peu de pièces. Étant conçus pour transférer la chaleur, ils nécessitent des entrées et sorties pour permettre aux milieux fluides - ou fluides - de circuler à travers l'échangeur. Un fluide peut être un liquide ou un gaz. Pour éviter toute confusion, nous utiliserons le terme milieu fluide.

Échangeur de Chaleur à Plaques (Vue Éclatée)

Échangeur de Chaleur à Plaques (Vue Éclatée)

Les joints et les plaques séparent les milieux fluides pour éviter leur mélange ; les joints sont fixés sur un côté de chaque plaque. Les plaques sont suspendues à une barre de support et comprimées ensemble à l'aide de boulons de serrage. Lorsqu'elles sont comprimées, elles forment un 'empilement de plaques'. Une barre de guidage assure l'alignement correct des plaques lors de l'ouverture et de la fermeture de l'empilement.

Composants de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Composants de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Les composants finaux d'intérêt sont les deux couvercles aux extrémités opposées de l'empilement de plaques. Un couvercle est mobile, l'autre est fixe. Le couvercle mobile et le couvercle fixe sont parfois appelés plaque de cadre et plaque de pression. Notez que les entrées et sorties sont montées uniquement sur le couvercle fixe.

 

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Fonctionnement des Échangeurs de Chaleur à Plaques

La vidéo ci-dessous est un extrait de notre cours vidéo en ligne sur les Échangeurs de Chaleur.

Dans cet article, nous supposerons qu'un échangeur de chaleur à plaques hypothétique a deux milieux fluides, l'un froid et l'autre chaud. Le milieu chaud doit être refroidi par le milieu froid, ce qui se produit dans l'échangeur de chaleur à plaques.

Le milieu chaud entre dans l'échangeur par l'entrée dédiée. Les joints dirigent le milieu chaud à travers l'échangeur. Chaque plaque a un motif de joint alterné. Le milieu chaud s'écoule dans l'espace entre une paire de plaques, mais ne s'écoule pas dans l'espace entre la paire suivante car les joints l'en empêchent. Ce processus se poursuit de sorte que chaque deuxième ensemble de plaques est rempli du milieu fluide chaud.

Joints de Plaques de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Joints de Plaques de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Simultanément, le milieu froid entre par son entrée, mais cette fois, les joints sont positionnés pour permettre au milieu froid de s'écouler dans l'espace où aucun milieu chaud n'est présent. L'échangeur est maintenant rempli des deux milieux fluides. Chaque milieu s'écoule par sa sortie associée, et le processus est continu.

 

Les deux milieux fluides sont toujours adjacents tout au long de l'échangeur. Ils suivent un schéma de flux chaud, froid, chaud, froid. Les milieux sont complètement séparés par les joints et les plaques, ils ne se mélangent pas.

Schéma Alterné Froid/Chaud

Schéma Alterné Froid/Chaud

La proximité des milieux fluides permet l'échange de chaleur. Le milieu chaud chauffe la plaque, qui transmet une partie de cette chaleur au milieu froid ; ainsi, la température du milieu chaud diminue tandis que celle du milieu froid augmente.

 

Conception de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Les plaques sont la principale raison de l'efficacité des échangeurs de chaleur à plaques.

 

Les plaques d'un échangeur de chaleur à plaques peuvent sembler simples, mais elles intègrent de nombreuses caractéristiques de conception. Par exemple :

  • Lorsque les plaques sont comprimées pour former un empilement, l'espace entre chaque plaque est très réduit, assurant un bon contact thermique entre les milieux fluides. Cet espace est également appelé 'dégagement'.
  • Les plaques sont minces et possèdent une grande surface de contact, ce qui leur confère un taux de transfert de chaleur élevé.
  • Les plaques sont fabriquées à partir d'un matériau à haute conductivité thermique, augmentant encore le taux de transfert de chaleur.
  • Les ondulations sur les surfaces des plaques empêchent l'écoulement laminaire et favorisent l'écoulement turbulent, augmentant le taux de transfert de chaleur tout en réduisant la probabilité de dépôts sur les surfaces.

     

  • Les ondulations renforcent également la structure de la plaque, permettant d'utiliser une plaque plus mince par rapport à une plaque sans ondulations. Les ondulations des plaques sont parfois appelées 'motif en chevrons'.

Motif en Chevrons Ondulé

Motif en Chevrons Ondulé

Les plaques ne sont pas les seules à avoir des caractéristiques de conception étendues, les joints en ont également :

  • Les joints maintiennent l'étanchéité entre les plaques même lorsque la pression et la température du système varient.
  • Des trous dans chaque joint - appelés telltales - permettent d'identifier les fuites. Cette caractéristique permet de remplacer la plaque affectée avant que le milieu qui fuit ne contamine l'autre milieu fluide.

Telltale de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Telltale de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

  • Les joints guident le flux à travers l'échangeur, il est donc essentiel qu'ils soient installés correctement. Pour cette raison, les joints sont souvent équipés de marquages pour vérifier l'ordre d'installation des plaques. Une autre méthode consiste à peindre une ligne diagonale sur l'empilement lorsqu'il est assemblé.

Empilement de Plaques avec Ligne Diagonale

Empilement de Plaques avec Ligne Diagonale

  • Bien que nous n'ayons montré que deux conceptions de joints, il en existe trois ! Les joints alternent tout au long de l'échangeur sauf pour les premières et dernières plaques, qui pressent contre les couvercles. Ces plaques sont appelées plaques de début et de fin. Leur rôle est d'empêcher le flux entre le couvercle et la plaque de début ou de fin. Les couvercles ne sont pas utilisés pour l'échange de chaleur car ils sont épais et non ondulés.

Joints de Plaques (joint de plaque de fin montré à droite)

Joints de Plaques (joint de plaque de fin montré à droite)

 

Variation de la Capacité de Refroidissement

Il existe plusieurs façons de modifier la capacité de refroidissement d'un échangeur de chaleur à plaques :

  • Réguler les vannes de sortie pour ajuster le débit ; cette méthode est pratique car elle ne nécessite pas de démontage. Ne pas réguler les vannes d'entrée pour éviter la surchauffe.
  • Augmenter ou diminuer le nombre de plaques dans l'empilement. Plus de plaques augmentent la capacité de refroidissement, moins de plaques la diminuent.
  • Utiliser un design à passage unique ou multi-passage. Les échangeurs à passage unique permettent un seul passage des fluides, tandis que les multi-passage permettent plusieurs passages. La plupart des échangeurs de chaleur à plaques utilisent le design à passage unique.

Design à Passage Unique et Multi-Passage

Design à Passage Unique et Multi-Passage

 

Types d'Écoulement

L'écoulement à travers un échangeur de chaleur à plaques peut être parallèle, croisé ou contre-courant. Les échangeurs de chaleur à plaques utilisent généralement l'écoulement contre-courant car il est le plus efficace pour le transfert de chaleur. L'écoulement contre-courant est parfois appelé écoulement contra.

Écoulement Parallèle, Contre-courant et Croisé

Écoulement Parallèle, Contre-courant et Croisé

 

Considérations de Conception pour les Plaques

Les échangeurs de chaleur à plaques doivent être conçus pour résister aux conditions de processus, y compris les environnements corrosifs et érosifs. Ils peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux, y compris des métaux, alliages et plastiques. Différents matériaux rendent l'échangeur plus adapté à diverses applications. Par exemple, si un fluide réagit agressivement avec certains métaux, des matériaux polymères comme le Téflon peuvent être utilisés.

 

Avantages de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Les échangeurs de chaleur à plaques présentent de nombreux avantages :

  • Ils pèsent moins, occupent moins d'espace et sont plus efficaces que d'autres conceptions de même taille.
  • Remplacer et nettoyer les plaques est simple car l'empilement peut être ouvert facilement.
  • Contrairement aux échangeurs à tubes et calandre, ils ne nécessitent pas d'espace supplémentaire pour le démontage.

 

Inconvénients de l'Échangeur de Chaleur à Plaques

Quelques inconvénients des échangeurs de chaleur à plaques :

  • Ils ont tendance à être plus chers que d'autres conceptions.
  • Si un joint fuit, localiser la plaque défectueuse peut être difficile.
  • Remplacer les joints sur place peut être complexe. Certains doivent être retournés au fabricant, ce qui est coûteux en temps et en argent.
  • Lorsque les plaques sont comprimées, le dégagement réduit augmente le risque d'encrassement, diminuant le transfert de chaleur.
  • Un serrage excessif des boulons lors du réassemblage peut endommager les plaques et expulser les joints, compromettant l'étanchéité.
  • Non adaptés aux applications à haute pression, car les joints risquent d'être expulsés ; ce problème peut être contourné avec des conceptions sans joint, utilisant des plaques brasées ou soudées. Ces conceptions conviennent aux applications à haute température et pression, ainsi qu'aux milieux dangereux.

 

Ressources Supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger

https://www.onda-it.com/eng/news/how-a-plate-heat-exchanger-works/plate-heat-exchanger-working-principle

https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work