Le principe de l’échangeur thermique
L’échangeur thermique est un équipement industriel en inox qui permet de réaliser un transfert thermique. Ce dernier a pour but de refroidir, de réchauffer ou bien de condenser un liquide.
Un échangeur de chaleur sert donc à transférer de l’énergie thermique d’un fluide à un autre fluide sans que ces derniers se mélangent.
C’est via ce que l’on nomme la surface d’échange que le flux thermique qui sépare les fluides passe. Plus cette surface d’échange sera grande et plus l’échangeur sera efficace.
L’échangeur thermique est en général composé d’un faisceau de plaques, d’un faisceau tubulaire, d’une calandre ou encore de boîtes de distribution.
Il existe différents modes de transfert de chaleur au sein de l’appareil :
- à co-courant : les fluides vont circuler parallèlement vers la même direction.
- à contre-courant : les fluides vont traverser les canaux parallèlement mais cette fois dans des directions inverses.
- à courant croisé : cette fois les deux fluides de l’échangeur vont circuler de manière perpendiculaire.
Le processus de conception et de fabrication des échangeurs
Le dimensionnement :
Dans un premier temps on procède au calcul thermique. Il s’agit de définir la puissance de l’échangeur ainsi que sa surface d’échange. Cette étape dépend des exigences du client et de l’application industrielle de l’appareil.
Une fois cette étape terminée, la géométrie de l’échangeur est donc définie.
Dans un second temps il faut ensuite procéder à l’étape du calcul mécanique, il faut donc définir les épaisseurs de la paroi, des boîtes et des plaques. C’est également lors de cette étape que la nécessité ou non d’un soufflet de dilatation est déterminé.
Pour finir une fois que l’échangeur est dimensionné il faut faire les plans de construction de l’appareil, indispensables pour les différentes phases inhérentes au processus de fabrication.
La fabrication :
La fabrication des échangeurs de chaleur se compose de plusieurs phases, à savoir :
- la découpe des tôles (découpe laser, découpe plasma, découpe jet d’eau),
- le formage des fonds bombés,
- l’usinage des plaques tubulaires, des chicanes et des brides,
- le roulage des viroles,
- le soudage automatique pour les circulaire et les longitudinales,
- le soudage manuel pour les piquages,
- le tubage (tubes soudés et/ou dudgeonnés),
- le polissage, le décapage et passivation,
- les tests réglementaires (épreuves hydrauliques, ressuage, radios, coupons témoins)
Les types d’échangeurs thermiques
Il existe différentes gammes d’échangeurs thermiques qui s’adaptent à diverses applications :
Tout d’abord, les échangeurs tubulaires en inox et en alliages nickel : pour des applications diverses.
Par exemple : • Gaz/ Gaz • Liquide/ Liquide • Liquide/ Gaz.
Ensuite, il y a les échangeurs à plaques soudées à larges canaux : notamment adaptés pour des échanges sur fluides difficiles, visqueux et chargés de matières en suspension.
On note aussi les échangeurs avec faisceau de plaques : pour des applications Liquide / Liquide • Condensation • Évaporation • Gaz / Gaz • Gaz / Liquide • Air / Eau.
Puis, pour finir il y a les échangeurs à tubes à ailettes, aussi appelé économiseur : utilisés pour récupérer l’énergie des fumés.
Quel échangeur thermique choisir ?
Le choix d’un échangeur de chaleur est donc notamment déterminé en fonction des caractéristiques de l’application.
Pour bien choisir le type d’échangeur dont on a besoin pour son industrie il faut donc être conscient de plusieurs choses comme le rôle de l’échangeur et la place qu’il occupera. En effet, certains échangeurs sont plus compacts que d’autres comme les échangeurs à plaques par exemple.
Il faut aussi savoir quels types de fluides circuleront au sein de l’échangeur. En effet, les échangeurs ne sont pas tous adaptés pour les mêmes fluides, par exemple l’échangeur à plaque à des canaux larges qui permettent la circulation de fluides difficiles chargés en particules contrairement à l’échangeur à tubes à ailettes.
Ensuite, il faut connaître la perte de charge admissible dans l’échangeur.
De même, il est essentiel d’avoir conscience des températures et des débits d’entrée et de sortie des fluides. La pression et la température des fluides sont deux aspects importants à prendre en compte lors du choix d’un type d’échangeur.
Les avantages et les inconvénients
Les avantages et les inconvénients d'un échangeur thermique diffèrent d’un type d’échangeur à l’autre.
Ainsi, on peut noter certains avantages majeurs tels que :
- La compacité, le faible encrassement, les performances thermiques élevées et la maintenance aisée des échangeurs à plaques.
- Le retour sur investissement rapide, l’intégration aisée dans les unités existantes et la possibilité d’être utilisé avec du fuel gaz ou fuel oil des échangeurs à tubes à ailettes.
- La robustesse et la résistance aux fortes pressions et températures extrêmes des
- échangeurs tubulaires.
Mais on peut aussi noter certains inconvénients tels que :
- Les échangeurs à plaques soudées sont soumis à des restrictions de pressions et de températures plus élevées que les tubulaires.
- Les risques de dépôt au sein de l’échangeur tubulaire.
- L’encombrement des échangeurs à ailettes.
Les domaines d’application
Les échangeurs thermiques sont des équipements qui sont utilisés pour diverses applications. Ainsi, on les retrouve dans plusieurs secteurs comme : l’agroalimentaire, la chimie, la pétrochimie, la pharmacie, la sucrerie, la distillerie, la métallurgie, les biotechnologies, l’exploitation minière, la papeterie, la blanchisserie ou encore le traitement des eaux.
