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Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani І. Généralités sur les échangeurs de

Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani І. Généralités sur les échangeurs de chaleur Un échangeur de chaleur est un équipement qui permet d’assurer un transfert de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid. Le même fluide peut conserver son état physique (liquide ou gaz) ou se présenté successivement sous les deux phases : c’est le cas des condenseurs ; évaporateurs ; rebouilleurs ou des tours de refroidissement. C’est un élément essentiel dans tout type de procédés industriels dans le but de maîtriser le flux d’énergie. L’ échangeur de chaleur est utilisé, 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, du transport, mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire. Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, 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. Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs. Énumérons les principaux. 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. 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 ; 1 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani  les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapocondenseurs. 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. Classement suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur :  transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passages 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. 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 (m2/m3). 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. II. Type de construction Les caractéristiques des échangeurs se situent dans une gamme très étendue en encombrement, en puissance échangée, en pression et température. Les technologies ainsi que les matériaux utilisés sont variés et difficilement comparables : 2 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani II.1 Les échangeurs thermique tubulaires les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée : on distingue les appareils mono-tubulaires (Fig. 1), coaxial (Fig. 2) et à faisceaux de tubes (Fig. 3) confinés dans une enveloppe ou calandre. Ce sont des échangeurs dans lesquelles circulent deux fluides qui sont généralement à l’état liquide. Ces échangeurs sont utilisés dans l’industrie chimique et pétrochimique, ils sont capables de fonctionner dans des conditions critiques de température et de pression. Figure 1 : Échangeurs monotube, vertical (à gauche) et horizontal (à droite) Figure 2 : échangeurs coaxiales Figure 3 : échangeur à calandre 3 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani 1.1 Echangeurs à tubes concentriques Les échangeurs de chaleur tubulaires à doubles tubes consistent généralement en deux tubes concentriques dont le tube interne peut être avec ou sans ailettes (Fig. 2) Un des fluide circule dans le tube intérieur et l’autre fluide occupe l’espace formé par les deux tubes. Généralement l’écoulement des fluides se fait dans des directions contraires pour une plus haute performance ; c’est probablement le plus simple des échangeurs envisageables. La distribution des écoulements est simple ainsi que le nettoyage. 1.2 Echangeur coaxial cintré 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. Figure 4 : échangeur coaxial cintré 1.3 Echangeur mono-tubulaire Le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin (Fig.1). Le taux de transfert de chaleur est ainsi augmenté relativement à un tube droit. La surface de contact est plus importante pour un volume donné. Le principal problème de ces échangeurs est la difficulté de nettoyage dû à la géométrie restreinte et les petits espaces entre chaque pièce. 1.4 Echangeur multitubulaire Existant sous quatre formes (Fig. 5) : à tubes séparés, à tubes rapprochés, à tubes ailetés, à tube et calandre Fig. 7 (c’est l’échangeur actuellement le plus répondu). 4 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani Figure 5 : échangeurs multitubulaires 1.4.1 Echangeur de chaleur à tube et calandre Les échangeurs de chaleur à tubes et calandre consistent en une quantité de tubes insérés dans un réservoir de plus grande dimension nommé enveloppe. Un fluide circule dans l’enveloppe tandis que l’autre dans les tubes. La figure 6 illustre trois configurations possibles de ce type d’échangeur de chaleur tubulaire. Il existe de nombreuses autres configurations possibles selon : le besoin de transfert de chaleur, les pertes de pression maximales, la prévention des fuites, la facilité d’entretien, possibilité de contenir des fluides sous pression, de contrôler la corrosion et encore plus. Figure 6 : Échangeur à tubes et calandre : principales technologies (faisceau tubulaire) 1.4.2 Principaux composants de l’échangeur à tubes et à calandre On retrouve essentiellement les mêmes composants de base dans les différentes configurations de construction des échangeurs à tubes et calandre : 5 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani Figure 7 : Divers constituants d’un échangeur TEMA type AEL Boîte d’échangeur : C’est l’organe qui distribue ou recueille le fluide aux extrémités des tubes. Sauf pour le tube en U, il y a une boîte à chaque extrémité de l’échangeur. La liaison cloison-plaque tubulaire est en général assurée par un joint. Les boîtes sont le plus souvent réalisées avec un matériau peu différent de celui des tubes. Calandre (ou virole) : C’est l’enveloppe métallique cylindrique entourant le faisceau tubulaire. Son matériau doit être compatible avec le fluide utilisé. Les matériaux les plus courants sont les aciers ordinaires, les aciers inoxydables, le cuivre ou les matières plastiques. La limite technologique des calandres se trouve aux alentours d’un diamètre de 2 m. Plaques tubulaires : Ce sont des plaques percées supportant les tubes à leurs extrémités. Leur épaisseur (5 à 10 cm) est calculée en fonction de la différence de pression entre le fluide dans la calandre et le fluide dans les boîtes d’une part, des contraintes dues aux différences de dilatation entre les tubes et la calandre d’autre part. Les plaques tubulaires peuvent être en acier ordinaire, en acier spécial massif. Les plaques tubulaires sont les parties délicates des échangeurs. Les interstices entre tubes et plaques sont des lieux privilégiés de corrosion. Par ailleurs, des dilatations différentielles excessives peuvent faire céder les liaisons ou les soudures. 6 Chapitre 1 : Echangeurs de chaleur Atmani Tubes : Ce sont généralement des tubes normalisés dont le diamètre annoncé correspond exactement au diamètre extérieur. Avec des longueurs standards. Les matériaux utilisés dépendent des fluides choisis ; les plus courants sont les aciers ordinaires, les aciers inoxydables, le cuivre, le laiton, les cupronickels, le graphite, le verre ou les matières plastiques. Les Chicanes (Fig. 8) ont pour rôle d’augmenter la vitesse du fluide dans la calandre et la rigidité du faisceau. Dans le cas d’un transfert de chaleur sans changement de phase, il est intéressant d’augmenter la vitesse du fluide pour améliorer le coefficient d’échange. Mais un compromis doit être trouvé pour avoir simultanément un coefficient global d’échange thermique et des pertes de pression acceptables. Une entaille de vidange (assez petite) est généralement prévue à la partie inférieure de la chicane aﬁn de permettre la vidange de l’échangeur. Les chicanes sont de même matériau que la calandre. Tirants et entretoises : Ce sont des dispositifs assurant la liaison du système de chicanes, qui ont pour objet de uploads/Finance/ echangeurs-de-chaleur 1 .pdf