Types d'échangeurs de chaleur - par construction: Guide de génie industriel

Classification des échangeurs de chaleurpar constructionLe choix du cadre de construction approprié dicte la pression maximale de fonctionnement d'un échangeur,Efficacité thermiqueLes cinq principales catégories de construction utilisées dans les usines de procédés modernes sont les suivantes:Coquille et tube,Plaque et cadre,D'une épaisseur inférieure ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale ou égale,Pipe à double tuyau (pince à cheveux), etSpiraleéchangeurs de chaleur.

La construction de coquilles et de tubes représente la norme mondiale historique pour les processus industriels lourds en raison de sa résistance mécanique exceptionnelle et de son adaptabilité aux conditions de fonctionnement difficiles.

Ce type se compose d'un récipient cylindrique extérieur majeur (la coque) abritant une matrice parallèle de conduits plus petits (le faisceau de tubes).tandis que le deuxième fluide passe sur l'extérieur des tubes à travers la cavité ouverte de la coquille (côté de la coquille).

• Fiche fixe des échantillons:Les feuilles de tubes aux deux extrémités sont soudés directement à la coque.structure rentable mais limite le nettoyage mécanique de l'intérieur de la coque et crée des contraintes mécaniques si des différentiels de dilatation thermique élevés existent entre la coque et les tubes.

• Je vous en prie.Le faisceau de tubes est plié en "U" continu, ancré à une seule feuille de tubes d'un côté.éliminer les contraintes de dilatation thermiqueCependant, le nettoyage mécanique des courbes intérieures des tubes est très difficile.

• Tête flottante:Une feuille de tube est fixée au cadre de la coque, tandis que la feuille de tube opposée est libre de "floter" ou de glisser à l'intérieur de la coque.Ceci gère simultanément des différentiels de dilatation thermique élevés et permet l'extraction complète du faisceau de tube pour un entretien et un nettoyage intensifs sur les deux côtés de la coque et du tube.

Les échangeurs de chaleur à plaque privilégient la maximisation de la surface de transfert de chaleur tout en minimisant l'empreinte physique de l'équipement.

Au lieu de faire passer les fluides à travers des tubes cylindriques, les systèmes de plaques dirigent les fluides à travers des canaux minces et étroits formés entre des plaques métalliques ondulées étroitement empilées.Les plaques sont serrées étroitement dans un cadre structurel lourd.

• Plaque et cadre garnis de joints:Les joints élastomères scellent le périmètre des plaques individuelles et guident les voies du fluide.la capacité thermique peut être réduite simplement en débolisant le cadre et en insérant ou en retirant des plaquesIl permet également un démontage manuel complet pour l'assainissement.

• Plaque brasée:Les plaques métalliques individuelles sont jointes en permanence par brasage sous vide (généralement avec un matériau de remplissage en cuivre ou en nickel).permettant à l'unité de gérer des pressions et des températures plus élevées tout en restant très compacteCependant, ils ne peuvent pas être ouverts pour le nettoyage mécanique.

• Plaque soudés:Les packs de plaques sont complètement soudés.Cette construction étend les avantages de la géométrie des plaques en matière d'efficacité thermique à des environnements chimiques agressifs et à des températures plus élevées où les joints en caoutchouc standard se dégraderaient rapidement.

Les échangeurs de chaleur refroidis par air sont classés comme des récipients sous pression spécialisés conçus pour rejeter la chaleur directement dans l'atmosphère environnante sans dépendre de l'infrastructure de l'eau.

La construction comporte des bandes horizontales ou verticales de tubes (le faisceau de tubes) connectés aux têtes de terminaux.l'extérieur des tubes est enveloppé structurellement ou extrudé avec des milliers de nageoires métalliques minces pour multiplier la surface de rétention de chaleurLes grands ventilateurs axiaux motorisés forcent ou induisent un flux d'air directement à travers les surfaces à nageoires.

• Le service militaire:Les ensembles de ventilateurs sont situés sous les faisceaux de tubes, poussant l'air vers le haut.les roulements) pour l'entretien et protège les pales du ventilateur de l'air d'échappement à haute température.

• Le projet induit:Les collections de ventilateurs sont placées au-dessus des faisceaux de tubes, tirant l'air vers le haut par les nageoires.Cela crée une répartition très uniforme de l'air sur l'ensemble du faisceau de tubes et protège les tubes contre les dangers environnementaux comme la grêle ou le soleil.

La construction de tuyaux doubles est l'itération structurelle la plus simple des équipements de transfert de chaleur industriels, optimisée pour les applications à petite échelle et les fluides à haute viscosité.

La configuration consiste en un tuyau de plus petit diamètre monté concentriquement à l'intérieur d'un tuyau de plus grand diamètre.et le deuxième fluide se déplace à travers l'espace annulaire entre les deux tuyauxAfin d'optimiser l'espace physique, ils sont souvent configurés comme des dispositions modulaires de "fil d'épingle" - longues sections de tuyaux droites reliées par des courbes de retour serrées de 180 degrés.

• Véritable contre-courant:La simplicité géométrique permet des configurations de contre-écoulement 100% pures, ce qui donne la plus haute efficacité d'approche à température possible.

• Capacité à haute pression:Parce que les tuyaux industriels standard à paroi haute sont utilisés pour la construction au lieu de feuilles ou de tubes spéciaux minces,Les systèmes à double tuyauterie peuvent résister à des pressions extrêmes avec un risque minimal de défaillance structurelle.

Les échangeurs de chaleur en spirale sont des unités circulaires spécialisées conçues spécifiquement pour traiter les boues hautement abrasives, les boues de haute viscosité et les déchets industriels fortement contaminés.

La construction se compose de deux feuilles métalliques longues et plates enroulées concentriquement autour d'un mandrin central, créant deux voies de flux spirales complètement isolées et continues.Les fluides circulent contre courant dans ces courbes, des canaux concentriques.

• Autodéplacement à canal unique:Contrairement aux conceptions de coquille et de tube où le fluide peut contourner les tubes bloqués, un échangeur en spirale utilise un seul canal continu pour chaque fluide.la surface de la section transversale locale diminue, créant un pic de vitesse localisé qui évacue naturellement le dépôt.

Lors de la spécification d'un échangeur de chaleur par type de construction, les ingénieurs de conception évaluent trois contraintes fondamentales:

1. Différentiels de dilatation thermique:Si le fluide chaud et le fluide froid présentent des écarts de température extrêmes, des constructions qui permettent un mouvement structural libre (comme le tube en U, la coque et le tube à tête flottante, etc.)ou systèmes de plaque et de cadre) sont obligatoires pour prévenir les déformations structurelles graves ou les fissures de soudure.

2. Compatibilité chimique des joints:Dans la construction de plaques et de cadres, les joints élastomères (par exemple, NBR, EPDM, Viton) doivent être chimiquement inertes au fluide de procédé.Les ingénieurs doivent changer la construction vers des variantes de plaques entièrement soudés ou des systèmes de coque et de tube métalliques.

3. Nombre de Reynolds et chute de pression:Les échangeurs de chaleur à plaques induisent une grande turbulence du fluide même à basse vitesse de débit, ce qui donne des coefficients de transfert de chaleur supérieurs.Cette turbulence entraîne une chute de pression significativement plus élevée ($Delta P$) par unité de longueur par rapport aux voies linéaires de tuyauterie droite des systèmes à coque et à tube ou à double tuyauterie.

Q: Quelle est la principale différence entre un "récipient de traitement" et un "échangeur de chaleur" par construction?

R: Un récipient de procédé standard (comme un réacteur ou un réservoir de stockage) est principalement conçu pour contenir ou mélanger des fluides à des pressions et à des volumes spécifiques.Un échangeur de chaleur est un sous-ensemble spécialisé de récipients sous pression conçus spécifiquement avec des, des limites intérieures à parois minces conçues pour maximiser la transmission de chaleur tout en gardant les flux de fluide complètement isolés.

Q: Pourquoi les échangeurs de chaleur à plaques brasées ne peuvent-ils pas être nettoyés mécaniquement?

R: Les échangeurs de plaques brasées sont fusionnés en permanence par métallurgie sous vide en un bloc solide et singulier de métal.Ils ne peuvent pas être ouverts.Ils doivent être nettoyés exclusivement à l'aide de cycles de rinçage chimique (CIP).

Q: Quand un ingénieur doit-il choisir une coque et un tube flottants plutôt qu'un design en U-tube?

R: Une conception en U-tube gère exceptionnellement bien l'expansion thermique, mais rend impossible le nettoyage mécanique des courbes intérieures du tube.Si le liquide du côté du tube est fortement enfumé ou est sujet à laisser des dépôts solidesDans ce cas, un ingénieur doit choisir une conception de tête flottante, qui permet à une tige mécanique droite de traverser entièrement les tubes à nettoyer tout en conservant une expansion thermique élevée.

Le choix de la bonne classification de la construction d'un échangeur de chaleur est un équilibre délicat entre les exigences mécaniques et les variables de processus.Coquille et tubePour une efficacité compacte et des charges thermiques variables,Plaque et cadreLes modèles offrent des performances inégalées, tandis queÀ refroidissement par airLes cadres résolvent les contraintes géographiques en matière d'eau.