Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à tubes et calandre ?
Les échangeurs de chaleur à tubes et calandre sont largement utilisés dans le domaine de l'ingénierie et représentent l'un des deux types d'échangeurs de chaleur les plus courants, l'autre étant l'échangeur de chaleur à plaques.
Les échangeurs de chaleur à tubes et calandre se distinguent par leur conception simple, leur robustesse et leurs coûts d'acquisition et de maintenance relativement bas. Ils offrent également un taux de transfert de chaleur élevé, bien qu'ils nécessitent plus d'espace qu'un échangeur de chaleur à plaques de capacité thermique équivalente.
Échangeurs de Chaleur à Tubes et Calandre
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Composants de l'Échangeur de Chaleur à Tubes et Calandre
Un échangeur de chaleur à tubes et calandre est constitué d'une série de tubes logés dans un conteneur cylindrique appelé « calandre ». Tous les tubes à l'intérieur de la calandre forment un « faisceau de tubes » ou « nid de tubes ». Chaque tube traverse une série de chicanes et de plaques tubulaires (également appelées « empilements de tubes »). Une des plaques tubulaires est fixe tandis que l'autre est mobile pour permettre l'expansion thermique lorsque l'échangeur de chaleur est chauffé.
Composants de l'Échangeur de Chaleur à Tubes et Calandre
Le fluide circulant à l'intérieur des tubes est appelé le « côté tube ». Le fluide circulant à l'extérieur des tubes est appelé le « côté calandre ». Chaque fluide a une entrée et une sortie.
Le fluide côté tube est généralement choisi pour les fluides à haute pression car chaque tube peut agir comme un petit récipient sous pression ; il est également plus économique de produire des tubes certifiés haute pression que de produire une calandre certifiée haute pression.
Exemple : Échangeurs de Chaleur
Un échangeur de chaleur à calandre utilise de l'eau pour refroidir de l'huile. L'huile est le fluide côté calandre tandis que l'eau est le fluide côté tube. L'huile entre par l'entrée en haut à gauche et circule à travers l'échangeur de chaleur jusqu'à atteindre la sortie en bas à droite. L'eau circule à travers les tubes de l'entrée à droite à la sortie à gauche.
Échangeur de Chaleur à Passage Unique
Comment fonctionnent les échangeurs de chaleur à tubes et calandre ?
La vidéo ci-dessous est un extrait de notre cours vidéo en ligne sur les Échangeurs de Chaleur.
L'échangeur de chaleur à tubes et calandre est divisé en deux systèmes principaux, appelés le côté calandre et le côté tube. Chaque système a un fluide circulant associé. Dans notre exemple, nous supposerons que le côté calandre contient de l'huile minérale chaude qui doit être refroidie, tandis que le côté tube contient de l'eau de refroidissement.
L'eau de refroidissement entre dans l'échangeur de chaleur et circule à travers les tubes. L'huile minérale entre dans l'échangeur de chaleur et circule dans la calandre entourant les tubes. Les deux fluides ne se mélangent pas car la paroi des tubes l'en empêche. Comme les fluides ne se mélangent pas directement, un refroidissement indirect se produit (et non un refroidissement direct).
Un écoulement turbulent augmente le taux de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur et réduit également la probabilité d'accumulation de solides dissous sur les parois des tubes et de la calandre (l'écoulement turbulent a un effet auto-nettoyant).
L'écoulement turbulent à l'intérieur des tubes est créé en insérant des inserts tubulaires (également appelés « turbulateurs ») dans chacun des tubes. L'écoulement turbulent à l'intérieur de la calandre est créé par des chicanes, qui sont utilisées pour diriger l'eau à travers les tubes plusieurs fois lorsqu'elle traverse l'échangeur de chaleur.
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Inserts Tubulaires (ligne noire au milieu du tube)
La chaleur est échangée entre les deux fluides car ils sont en contact thermique l'un avec l'autre. L'huile quitte l'échangeur de chaleur plus froide et l'eau quitte l'échangeur de chaleur plus chaude.
Écoulement Parallèle, Contre-Courant et Croisé
Écoulement Parallèle, Contre-Courant et Croisé
Les échangeurs de chaleur existent sous de nombreuses formes et tailles. Pour faciliter leur classification, ils sont souvent divisés en groupes basés sur leurs caractéristiques de conception et de fonctionnement. L'une de ces caractéristiques est le type d'écoulement.
Il existe trois principaux types d'écoulement : l'écoulement parallèle, contre-courant et croisé. En raison des considérations de conception et des applications des échangeurs de chaleur, il est rare qu'un échangeur de chaleur soit uniquement l'un de ces types d'écoulement ; généralement, ils sont une combinaison de plusieurs types d'écoulement, par exemple un écoulement croisé contre-courant.
Écoulement Parallèle
L'écoulement parallèle se produit lorsque les fluides côté calandre et côté tube entrent dans l'échangeur de chaleur par le même côté et s'écoulent vers le côté opposé de l'échangeur de chaleur. Le changement de température (delta T/ΔT) à travers les deux fluides est égal pour les deux, c'est-à-dire qu'ils augmentent ou diminuent tous deux d'une certaine quantité. Notez que la température de sortie pour les deux fluides tend à converger et qu'il n'est pas possible de refroidir en dessous de ce point même si la température d'entrée du fluide plus froid est inférieure à la température de convergence (la température de convergence sur le graphique ci-dessous est d'environ 80°C).
Échangeur de Chaleur à Écoulement Parallèle
Écoulement Contre-Courant
L'écoulement contre-courant (également connu sous le nom de contra-écoulement) des échangeurs de chaleur a deux fluides circulants qui s'écoulent dans une direction opposée (180° l'un de l'autre). Chaque fluide circulant entre dans l'échangeur de chaleur à des extrémités opposées et est évacué à des extrémités opposées. Parce que le fluide plus froid sort de l'échangeur de chaleur contre-courant à l'endroit où le fluide chaud entre dans l'échangeur de chaleur, le fluide plus froid s'approchera de la température d'entrée du fluide chaud ; cela rend le delta T potentiel bien plus grand que celui d'un échangeur de chaleur à écoulement parallèle. Les échangeurs de chaleur à contre-courant sont le type d'échangeur de chaleur le plus efficace.
Échangeur de Chaleur à Écoulement Contre-Courant
Écoulement Croisé
L'écoulement croisé des échangeurs de chaleur a un fluide circulant qui s'écoule perpendiculairement (à 90°) à l'autre. Les échangeurs de chaleur à écoulement croisé se trouvent généralement dans des applications où l'un des fluides change d'état (écoulement à deux phases). Par exemple, le condenseur d'un système à vapeur, dans lequel la vapeur sortant de la turbine entre dans le côté calandre du condenseur, et l'eau froide circulant dans les tubes absorbe la chaleur de la vapeur, la condensant en eau. De grands volumes de vapeur peuvent être condensés en utilisant ce type d'écoulement d'échangeur de chaleur.
Échangeur de Chaleur à Écoulement Croisé
Passage Unique et Multi-Passages
Une manière économique et efficace d'augmenter l'efficacité d'un échangeur de chaleur est de mettre les fluides circulants en contact l'un avec l'autre plusieurs fois. Chaque fois qu'un fluide passe sur l'autre, la chaleur est échangée.
Lorsque l'un des fluides circulants passe sur l'autre une seule fois, on parle d'un échangeur de chaleur à « passage unique ».
Conception d'Échangeur de Chaleur à Passage Unique
Lorsque l'un des fluides circulants passe sur l'autre plus d'une fois, on parle d'un échangeur de chaleur à « multi-passages ».
Conception d'Échangeur de Chaleur à Multi-Passages
Multi-Passages dans les Tubes
Souvent, l'échangeur de chaleur à multi-passages inverse le flux dans les tubes en utilisant un ou plusieurs ensembles de coudes en « U » dans les tubes. Les coudes en « U » permettent au fluide de circuler d'avant en arrière sur la longueur de l'échangeur de chaleur. Ce type d'échangeur de chaleur est connu sous le nom d'échangeur de chaleur à tubes en U.
Échangeur de Chaleur en Forme de U
Il est également possible d'inverser le flux à travers les tubes en utilisant le côté inférieur ou supérieur du faisceau de tubes pour un passage, et le côté opposé pour le passage suivant. Ainsi, chaque moitié d'un faisceau de tubes équivaut à un passage.
Multi-Passages dans la Calandre
Une deuxième méthode pour obtenir plusieurs passages consiste à insérer des chicanes du côté calandre de l'échangeur de chaleur. Celles-ci dirigent le fluide côté calandre d'avant en arrière à travers les tubes pour obtenir l'effet multi-passages.
Échangeur de Chaleur à Multi-Passages
Avantages et Inconvénients des Échangeurs de Chaleur à Tubes et Calandre
Avantages
- Moins chers que les échangeurs de chaleur à plaques.
- Conception relativement simple et facile à entretenir.
- Adaptés à des pressions et températures plus élevées par rapport aux échangeurs de chaleur à plaques.
- La chute de pression (delta P/ΔP) est inférieure à celle d'un échangeur de chaleur à plaques.
- Facile de trouver et d'isoler les tubes qui fuient.
- Les tubes peuvent être « à double paroi » pour réduire la probabilité de fuite du fluide côté calandre dans le fluide côté tube (ou vice versa).
- Facile d'installer des anodes sacrificielles.
- Ne s'encrassent pas aussi facilement que les échangeurs de chaleur à plaques.
Inconvénients
- Moins efficaces que les échangeurs de chaleur à plaques.
- Nécessitent plus d'espace pour ouvrir et retirer les tubes.
- La capacité de refroidissement ne peut pas être augmentée, mais celle d'un échangeur de chaleur à plaques peut l'être.
Pièces de l'Échangeur de Chaleur à Tubes et Calandre
Plaque de Séparation
La plaque de séparation sépare les moitiés inférieure et supérieure de l'échangeur de chaleur. La séparation dirige le fluide circulant à travers les tubes. Entrée / Sortie Entrée ou sortie du fluide circulant à travers les tubes ou la calandre de l'échangeur de chaleur.
Enveloppe/Calandre
L'enveloppe/calandre est utilisée pour contenir le fluide circulant et abriter les pièces internes. Elle sert également de pièce structurelle solide à laquelle d'autres pièces peuvent être attachées. Plaque de Couverture La plaque de couverture est utilisée pour sceller une extrémité de la calandre et prévenir les fuites.
Joint
Un joint est placé entre deux surfaces métalliques. Le joint est généralement fabriqué en papier ou en caoutchouc et est « pressé » entre les métaux pour créer un joint étanche. Le joint empêche les fuites.
La forme du joint empêche également les fuites autour de la plaque de séparation.
Plaque Tubulaire Fixe
La plaque tubulaire se trouve à l'intérieur de la calandre et soutient les extrémités des tubes. Le poids des tubes est ensuite soutenu par les chicanes (selon la conception).
Chicanes
Les chicanes sont utilisées pour modifier le flux directionnel du fluide. Changer la direction assure une distribution uniforme de la chaleur dans l'échangeur de chaleur. L'efficacité diminue lorsque le flux à travers l'échangeur de chaleur n'est pas uniformément distribué.
Boulon
Les écrous et les boulons sont utilisés pour fixer les pièces de l'échangeur de chaleur. Les boulons choisis doivent avoir des caractéristiques de résistance à la traction et de résistance à la corrosion appropriées. Les boulons sont la partie « mâle » d'un assemblage écrou et boulon.
Écrou
Les écrous et les boulons sont utilisés pour fixer les pièces de l'échangeur de chaleur. Les écrous choisis doivent avoir des caractéristiques de résistance à la traction et de résistance à la corrosion appropriées.
Les écrous sont la partie « femelle » d'un assemblage écrou et boulon.
Barres de Liaison
Les barres de liaison sont utilisées comme guides pour les chicanes afin d'assurer qu'aucun mouvement rotationnel ou axial des chicanes ne se produise.
Tubes
L'un des fluides circule directement à travers les tubes tandis que l'autre circule de manière turbulente à l'extérieur. La chaleur est échangée entre les deux fluides en raison de la proximité (la chaleur est échangée par conduction vers les parois des tubes puis vers le fluide extérieur).
Calandre
Les tubes, les chicanes et les barres de liaison sont tous logés dans la calandre (enveloppe). C'est la construction à tubes et calandre qui donne son nom à ce type d'échangeur de chaleur.
Ressources Supplémentaires
http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html
https://fr.wikipedia.org/wiki/Échangeur_de_chaleur_à_tubes_et_calandre
https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html