Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à calandre et à tubes ?

Un échangeur de chaleur à calandre et tubes est une classe de récipient sous pression industriel conçu pour transférer de l'énergie thermique entre deux fluides sans permettre leur mélange. C'est le type d'échangeur de chaleur le plus courant utilisé dans les raffineries de pétrole, les grands procédés chimiques et les centrales électriques en raison de sa conception robuste et de sa capacité à gérer des pressions et des températures extrêmes.

La conception fondamentale est exactement comme son nom l'indique : un grand récipient sous pression extérieur (la calandre) contient un faisceau de tuyaux plus petits (les tubes). Un fluide circule à l'intérieur des tubes, tandis que le second fluide circule à l'extérieur des tubes dans la calandre, transférant la chaleur à travers les parois des tubes thermiquement conductrices.

Un échangeur de chaleur à calandre et tubes est hautement personnalisable, mais toutes les conceptions reposent sur quatre composants mécaniques critiques :

• Le faisceau tubulaire : La surface de transfert de chaleur principale. Les tubes sont généralement fabriqués à partir de métaux hautement conducteurs et résistants à la corrosion (comme le titane, les alliages de cuivre ou l'acier inoxydable).

• La calandre : Le cylindre extérieur qui contient le second fluide. Il est conçu pour résister à la pression interne du système et est souvent isolé pour éviter les pertes thermiques vers l'environnement.

• Plaques tubulaires : D'épaisses plaques métalliques percées de trous pour recevoir les tubes. Les tubes sont dilatés ou soudés dans ces plaques pour créer un joint étanche qui sépare le fluide côté calandre du fluide côté tube.

• Déflecteurs : Plaques internes installées à l'intérieur de la calandre. Ils remplissent deux fonctions vitales : soutenir les longs tubes pour éviter les vibrations et forcer le fluide côté calandre à circuler en zigzag à travers le faisceau tubulaire, ce qui crée de la turbulence et maximise le transfert de chaleur.

La taille et l'efficacité d'un échangeur de chaleur à calandre et tubes sont régies par l'équation fondamentale du transfert de chaleur :

Étant donné que les températures des deux fluides changent lorsqu'ils circulent dans l'échangeur, la différence de température entre eux n'est pas constante. Les ingénieurs utilisent la Différence de température moyenne logarithmique (LMTD) pour calculer la véritable force motrice moyenne pour le transfert de chaleur.

Pour comprendre comment les températures des fluides dictent la taille physique de l'échangeur de chaleur, utilisez le simulateur ci-dessous. Ajustez les températures d'entrée et de sortie de vos flux chaud et froid, ainsi que votre charge thermique cible, pour calculer la LMTD et la surface requise ($A$).

Alors que le widget ci-dessus suppose un seul passage, les échangeurs de chaleur à calandre et tubes industriels sont rarement aussi simples. Ils sont classés par le nombre de fois où le fluide traverse la longueur de l'échangeur.

• Échangeur 1-1 (simple passage) : Le fluide entre par une extrémité des tubes et sort par l'autre. Le fluide de la calandre fait de même.

• Échangeur 1-2 (tube à deux passages) : Le fluide tubulaire entre, parcourt la moitié des tubes, atteint un coude en U (ou un collecteur de retour), et revient par l'autre moitié des tubes. Cela double la vitesse du fluide et augmente le coefficient de transfert de chaleur ($U$), bien que cela nécessite plus de puissance de pompage.

• Multi-passage (par exemple, échangeurs 2-4) : Utilisé pour les tâches industrielles massives afin de maximiser la turbulence et l'efficacité thermique dans un encombrement physique plus petit.

Lors de la spécification de l'équipement, la principale alternative à une conception à calandre et tubes est un échangeur à plaques (PHE).

TEMA signifie Tubular Exchanger Manufacturers Association. C'est la norme mondiale qui dicte la conception mécanique, les tolérances et la nomenclature (par exemple, types BEM, AEL, NEN) des échangeurs de chaleur à calandre et tubes.

Le fouling est l'accumulation de saleté, de tartre ou de croissance biologique sur les surfaces de transfert de chaleur. Comme le côté calandre d'un échangeur à calandre et tubes est très difficile à nettoyer mécaniquement, les ingénieurs acheminent toujours le fluide le "plus sale" ou le plus corrosif à travers l'intérieur des tubes, qui peuvent être nettoyés avec des lances à eau haute pression.

Les déflecteurs ne sont pas des disques pleins ; ils ont généralement une "coupe" de 20 % à 30 % (comme un demi-cercle). Cela force le fluide côté calandre à circuler verticalement de haut en bas à travers le faisceau tubulaire, minimisant les "zones mortes" stagnantes et maximisant le mélange turbulent requis pour un transfert de chaleur optimal.