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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 341 − 1 Échangeurs de chaleur Description des échangeurs par André BONTEMPS Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble) Alain GARRIGUE Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble) Charles GOUBIER Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble) Jacques HUETZ Directeur de Recherche émérite au Centre National de la recherche Scientiﬁque (CNRS), Professeur à l’École Centrale de Paris Christophe MARVILLET Centre d’Études Nucléaires de Grenoble Pierre MERCIER Centre d’Études Nucléaires de Grenoble et Roland VIDIL Centre d’Études Nucléaires de Grenoble. Tous ces auteurs font partie du Groupement pour la Recherche sur les Échangeurs Thermiques (GRETh) ’ensemble Échangeurs de chaleur fait l’objet de plusieurs articles : — [B 2 340] Généralités — [B 2 341] Description des échangeurs — [B 2 342] Dimensionnement thermique — [B 2 343] Intensification des échanges thermiques — [B 2 344] Problèmes de fonctionnement. ainsi que d’un tableau de notations et symboles en tête et d’une documenta- tion en ﬁn, communs à cet ensemble. 1. Critères de classement des échangeurs............................................ B 2 341 - 2 2. Échangeurs tubulaires............................................................................ — 3 2.1 Différentes catégories existantes ............................................................... — 3 2.2 Échangeurs à tubes ailetés ......................................................................... — 3 2.3 Échangeurs à tubes et calandre ................................................................. — 4 3. Échangeurs à plaques............................................................................. — 9 3.1 Échangeurs à surface primaire................................................................... — 9 3.2 Échangeurs à surface secondaire............................................................... — 13 4. Échangeurs avec un ﬂuide changeant de phase............................. — 13 4.1 Évaporateurs tubulaires.............................................................................. — 13 4.2 Condenseurs tubulaires .............................................................................. — 15 4.3 Évaporateurs et condenseurs à plaques.................................................... — 16 5. Autres types d’échangeurs ................................................................... — 17 5.1 Autres types d’échangeurs métalliques .................................................... — 17 5.2 Échangeurs non métalliques ...................................................................... — 19 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 345 L ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 2 341 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande part (90 %) de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. On les utilise principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidé- rurgie, agroalimentaire, production d’énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, cli- matisation, etc.). Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application don- née, dépend de nombreux paramètres : domaine de température et de pression des ﬂuides, propriétés physiques et agressivité de ces ﬂuides, maintenance et encombrement. Il est évident que le fait de disposer d’un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d’énergie des procédés. 1. Critères de classement des échangeurs Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs. Énumérons les principaux. I Classement technologique Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : — à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires ; — à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire ; — autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. I Classement suivant le mode de transfert de chaleur Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) ; il y a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient. I Classement suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on déﬁnit un fonc- tionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur : — transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n pas- sages et un écoulement en général continu ; — transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent, la matrice de stockage étant statique ou dynamique. I Classement fonctionnel Le passage des ﬂuides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase ; suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants : — les deux fluides ont un écoulement monophasique ; — un seul fluide a un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs ; — les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapocondenseurs. I Classement suivant la compacité de l’échangeur La compacité est déﬁnie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur. R.K. Shah propose qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa compacité est supé- rieure à 700 m2/m3 ; cette valeur est susceptible de varier de 500 à 800 m2/m3. Une classiﬁcation en fonction de la compacité peut être donnée : I Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange On retiendra deux types de paroi : — les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ; — les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. I Quel choix proposer? Ces différents groupes peuvent se recouper ; aussi choisirons-nous pour décrire les échangeurs : — tout d’abord, les échangeurs tubulaires et à plaques pour des raisons technologiques ; — puis, les évaporateurs et condenseurs pour leurs applications ; — et, enfin, quelques autres types d’échangeurs en fonction de la nature de la paroi. Le choix d’un échangeur de chaleur pour une application donnée dépend de nombreux paramètres : les propriétés physiques des ﬂuides, leur agressivité, les températures ainsi que les pressions de service. Les contraintes d’encombrement et de maintenance doivent aussi être prises en compte, ainsi que les considérations économiques. ______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 341 − 3 2. Échangeurs tubulaires 2.1 Différentes catégories existantes Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. On peut distinguer trois catégo- ries suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réa- lisés pour avoir la meilleure efﬁcacité possible pour une utilisation donnée : — échangeur monotube (figure 1a ), dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin ; — échangeur coaxial (figure 1b ), dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrés ; en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur ; — échangeur multitubulaire, existant sous quatre formes : • échangeur à tubes séparés (ﬁgure 1c ) : à l’intérieur d’un tube de diamètre sufﬁsant (de l’ordre de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit enroulé, • échangeur à tubes rapprochés (ﬁgure 1d ) : pour maintenir les tubes et obtenir un passage sufﬁsant pour le ﬂuide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’inter- médiaire des rubans, • échangeur à tubes ailetés (ﬁgure 1e ) : ces tubes permettent d’améliorer le coefﬁcient d’échange thermique ; différents types d’ailettes sont toutefois présentés au paragraphe 2.2, • échangeur à tubes et calandre (ﬁgure 1f ) : c’est l’échangeur actuellement le plus répandu ; de ce fait, le paragraphe 2.3 lui est donc consacré. 2.2 Échangeurs à tubes ailetés Lorsque l’un des ﬂuides transitant dans l’échangeur s’avère net- tement moins bon calovecteur que l’autre, l’utilisation d’ailettes s’impose autour des tubes ou quelquefois dans les tubes aﬁn que la résistance thermique globale ne soit pas principalement due au ﬂuide ayant le plus petit coefﬁcient d’échange thermique (cf. article Échangeurs de chaleur. Intensiﬁcation des échanges thermiques [B 2 343]). C’est le cas de échangeurs gaz-liquide et liquide-gaz utilisés dans la récupération thermique sur les fumées ou les gaz chauds ou dans les différents systèmes thermodynamiques tels que pompes à chaleur ou groupes de réfrigération ; en génie climatique, ces échangeurs sont appelés batteries à ailettes. Les batteries à ailettes sont constituées d’un faisceau de tubes, répartis en rangs ou nappes, dans lesquels circule un ﬂuide calo- porteur ayant un bon coefﬁcient d’échange. Le ﬂuide extérieur étant un gaz (air généralement) nécessite un ailetage externe des tubes pour diminuer l’écart entre les résistances thermiques externes et internes. Les ailettes peuvent être disposées de différentes façons. I Ailettes transversales On ne considère que les ailettes extérieures aux tubes ; elles peuvent être continues ou indépendantes (ﬁgure 2). Les ailettes continues sont traversées par plusieurs tubes. De forme généralement rectangulaire, elles sont uploads/Finance/ b2341-pdf.pdf