Classification des échangeurs de chaleur par milieu: Guide du génie industriel

La classification des échangeurs de chaleur par milieu classe les équipements en fonction de l'état physique (phase) des fluides échangeant de l'énergie thermique.La capacité thermique spécifique (c_p) et la conductivité thermique (k) du milieu déterminent directement le coefficient global de transfert thermique (U) et l'empreinte physique de l'équipement.Les quatre principales catégories industrielles sont les échangeurs de chaleur liquide-liquide, gaz-liquide, gaz-gaz et deux phases.

Les systèmes liquide-liquide sont très efficaces en raison de la conductivité thermique naturellement élevée et de la densité des liquides (comme l'eau, l'huile et les produits chimiques liquides).

Étant donné que les liquides offrent d'excellents coefficients de transfert de chaleur par convection, ces échangeurs nécessitent nettement moins de surface (A) pour transférer une quantité donnée de chaleur (Q) par rapport aux systèmes à gaz.

• Médias communs: eau à eau, huile à eau, produit chimique à eau.

• Équipement typique: échangeurs de chaleur en plaque et en cadre, échangeurs de chaleur en coque et en tube (sans nageoires).

• Applications principales: traitement pharmaceutique, pasteurisation des aliments et des boissons, mélange chimique et refroidissement des machines en boucle fermée.

C'est la classification la plus répandue dans l'industrie lourde et les applications commerciales.Ces systèmes permettent de combler le fossé entre un milieu à haut rendement (liquide) et un milieu à faible rendement (gaz/air).

Les gaz ont une conductivité thermique extrêmement faible.Les ingénieurs doivent augmenter artificiellement la surface exposée au gaz.Ceci est généralement réalisé en ajoutant des surfaces étendues (ailerons) à l'extérieur des tubes contenant le liquide.

• Médias communs: air à eau, air à réfrigérant, gaz de combustion à eau.

• Équipement typique: échangeurs de chaleur refroidis à l'air (refroidisseurs à ventilateur fin), radiateurs automobiles, bobines de refroidisseurs CVC.

• Applications principales: climatisation environnementale, refroidissement à distance par pipeline et refroidissement par eau de la pochette du moteur.

Les échangeurs de chaleur de gaz à gaz sont structurellement massifs car les deux fluides ont de mauvaises propriétés de transfert de chaleur.

Ces systèmes fonctionnent presque exclusivement pour récupérer la chaleur résiduelle des flux d'échappement pour préchauffer l'air ambiant entrant, améliorant ainsi l'efficacité thermodynamique globale de l'installation.

• Médias communs: gaz d'échappement chaud dans l'air ambiant.

• Équipement typique: roues thermiques rotatives (régénérateurs), échangeurs de chaleur à nageoires de plaque, préchauffeurs d'air tubulaires.

• Applications principales: préchauffage de l'air des chaudières dans les centrales électriques, séparation cryogénique de l'air et récupération de chaleur des fours industriels.

Dans les systèmes de changement de phase, un ou les deux fluides subissent un changement d'état (ébullition ou condensation) pendant l'échange thermique.

Le transfert de chaleur par changement de phase utilise la chaleur latente plutôt que la chaleur sensible.Ces échangeurs peuvent transférer d' énormes quantités d' énergie avec des gradients de température minimes et de faibles débits de masse..

• Médias communs: vapeur en eau (condensation), réfrigérant en air (évaporation), vaporisation chimique.

• Équipement typique: condensateurs, évaporateurs, réchauffeurs et générateurs de vapeur.

• Applications principales: cycles de rankine dans les centrales à vapeur, boucles de réfrigération et colonnes de distillation chimique.

La physique sous-jacente qui dicte la conception de ces échangeurs dépend de l'état du milieu.

Pour le transfert monophasique (chaleur sensible) (liquide-liquide, gaz-gaz, gaz-liquide)

Pour comprendre pourquoi la taille des équipements varie si radicalement, les ingénieurs se réfèrent au coefficient global de transfert de chaleur (U).

Q: Pourquoi les nageoires ne sont-elles presque jamais utilisées dans les échangeurs de chaleur liquide-liquide?

R: Les liquides possèdent naturellement une conductivité thermique élevée et des coefficients de transfert de chaleur par convection élevés.L'ajout de nageoires augmenterait légèrement la surface mais créerait simultanément une friction interne massive, provoquant une chute de pression inacceptable (Delta P) qui submergerait le système de pompage sans procurer un bénéfice thermique significatif.

Q: Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur sensible par rapport à un échangeur de chaleur latente?

R: Un échangeur de chaleur raisonnable modifie la température des milieux sans modifier leur état physique (par exemple, refroidissement de l'huile chaude avec de l'eau froide).Un échangeur de chaleur latent transfère de l'énergie en changeant l'état du milieu à température constante (e.g., faire bouillir l'eau liquide en vapeur).

Q: Quelle est la classification du milieu la plus difficile à maintenir?

R: Les systèmes à deux phases (changement de phase), en particulier les chaudières et les évaporateurs, sont généralement les plus exigeants en maintenance.Le processus d'ébullition des liquides laisse souvent derrière lui des solides et des minéraux concentrés et dissous, ce qui entraîne une écaillage rapide et des taches sur les surfaces de transfert de chaleur, ce qui dégrade gravement la valeur en U au fil du temps.