Fonctionnement d'un échangeur tubulaire

Principe de l’échangeur tubulaire

Un échangeur tubulaire est un type d’échangeur thermique qui utilise des tubes pour échanger de la chaleur entre deux fluides qui circulent à l’intérieur et à l’extérieur de ces tubes. Les fluides peuvent être des liquides, des gaz ou une combinaison des deux.

Les tubes sont disposés dans une enveloppe (calandre) qui contient également l’un des deux fluides. Les tubes peuvent être droits ou courbés en forme de U ou de serpentin pour maximiser la surface d’échange de chaleur et améliorer l’efficacité de l’échangeur de chaleur. Les échangeurs tubulaires peuvent être utilisés pour le chauffage, le refroidissement ou la régulation de la température des fluides. En effet, l’objectif principal de cet échangeur est la récupération de chaleur sur liquides ou gaz.

L’échangeur tubulaire est l’échangeur le plus présent dans les installations thermiques industrielles. En effet, il y représente 60%. Les échangeurs tubulaires sont largement utilisés dans les industries chimiques, pétrochimiques, pharmaceutiques et agroalimentaires, ainsi que dans les centrales électriques et les systèmes de chauffage et de climatisation.

Labbe Process Equipment propose à ses clients le dimensionnement et la fabrication de leurs échangeurs tubulaires en acier inoxydable et alliages nickel.

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A l’instar du fonctionnement des autres échangeurs thermiques, celui de l’échangeur tubulaire consiste en un échange thermique entre 2 fluides, un fluide « process » et un fluide dit « caloporteur ». La récupération de chaleur d’un fluide à l’autre peut être effectuée de plusieurs manières grâce à des appareils :

– À co-courants ou courants parallèles : les fluides traversent l’échangeur dans le même sens.
– À contre-courants ou courants opposés : les fluides traversent l’appareil dans un sens opposé.
– À courants croisés.

L’un des avantages de ce type d’échangeur est la multitude des fluides qu’il peut traiter :
Le transfert thermique peut donc s’effectuer entre :
– Gaz/ Gaz
– Liquide/ Liquide
– Liquide/ Gaz

Cet échangeur est aussi très robuste et propose un excellent coefficient d’échange thermique.

Capacités techniques et matériaux des échangeurs tubulaires

– Pressions maximales : 40 bars (pour des pressions supérieures, nous contacter)
– Températures maximales : 400°C (pour des températures supérieures, nous contacter)
– Conformité DESP 2014/68/UE

– Acier inoxydable 304L, 316L, 316Ti, 321, 310S
– Duplex U45N, U35N
– Uranus B6
– Alliage nickel C22, C276, C2000
– Incoloy

Une grande diversité d’applications

L’échangeur thermique tubulaire est conçu pour de multiples applications. En effet, l’appareil peut s’adapter à tous types d’échanges thermiques, il prend alors le nom de ce à quoi il sert. On retrouve ainsi parmi les fonctions de cet appareil :
– Le cristalliseur: Dans cette configuration l’échangeur va isoler un produit pour le faire passer à l’état solide.
– Le bouilleur: Cette utilisation consiste en la vaporisation d’un mélange de liquides ou de liquides et solides.
– Le réchauffeur: le réchauffeur sert à réchauffer un liquide ou un gaz.
– Le refroidisseur: Comme son nom l’indique, il sert à refroidir un fluide chaud.
– L’évaporateur: l’échangeur thermique peut grâce à un fluide caloporteur chaud transformer un fluide liquide en gaz.
– Le condenseur: à l’inverse de l’évaporateur le but ici est de refroidir un gaz afin qu’il redevienne liquide.

Dimensionnement et fabrication d’un échangeur tubulaire

En premier lieu, il convient de décider de l’utilité de cet échangeur, de sa taille, du type de fluides qu’il prendra en charge, de la pression et de la chaleur auxquelles il va être soumis. En effet, les performances thermiques d’un échangeur thermique dépendent de plusieurs facteurs, notamment la conception de l’échangeur, les propriétés thermiques des fluides, les débits des fluides, les températures d’entrée et de sortie des fluides, la surface d’échange de chaleur et les coefficients de transfert de chaleur.

Une fois ces paramètres déterminés, il faut calculer la surface d’échange thermique nécessaire ainsi que choisir la puissance thermique de cet échangeur.

Enfin, une mesure de la perte de charge admissible est effectuée. La perte de charge correspond à la perte d’énergie autrement appelé énergie fatale ou chaleur fatale.

Pour la fabrication, en ce qui concerne l’étanchéité, les échangeurs tubulaires doivent être conçus pour éviter toute fuite entre les fluides qui circulent à l’intérieur et à l’extérieur des tubes. Les joints entre les tubes et l’enveloppe, ainsi que toute la soudure, doivent être étanches pour éviter toute contamination ou perte de fluide. Les matériaux utilisés pour les tubes et l’enveloppe doivent être compatibles avec les fluides et les conditions de l’application afin de minimiser tout risque de corrosion ou de détérioration des composants.

Comment fonctionne un échangeur tubulaire ?

Le fonctionnement d’un échangeur tubulaire peut être décrit en trois étapes principales :

1- Écoulement des fluides : Les deux fluides circulent simultanément, l’un à l’intérieur des tubes et l’autre à l’extérieur des tubes, à travers l’enveloppe ou le boîtier. Le fluide à chauffer ou à refroidir circule à l’intérieur des tubes, tandis que le fluide de service circule à l’extérieur des tubes.

2- Transfert de chaleur : Lorsque les deux fluides sont en contact à travers la paroi des tubes, la chaleur est transférée du fluide chaud vers le fluide froid. La quantité de chaleur transférée dépend de la différence de température entre les deux fluides, de la surface de transfert de chaleur disponible et des coefficients de transfert de chaleur de la paroi des tubes.

3- Évacuation de la chaleur : Le fluide de service chaud ou froid est évacué de l’échangeur une fois qu’il a absorbé ou libéré de la chaleur, selon l’application. Dans le cas d’un échangeur de chaleur de chauffage, le fluide de service chaud circulant, par exemple de l’eau chaude, est utilisé pour le réchauffage d’un autre fluide, tandis que dans le cas d’un échangeur de chaleur de refroidissement (refroidisseurs), le fluide de service , par exemple de l’eau froide, est utilisé pour refroidir un autre fluide.

Pour le bon fonctionnement de l’échangeur, il est important de choisir un débit approprié pour chaque fluide en fonction des conditions de fonctionnement spécifiques, en équilibrant les avantages du transfert de chaleur avec les inconvénients potentiels liés aux pertes de charge et aux problèmes d’encrassement.

Les avantages et inconvénients d’un échangeur tubulaire

Avantages :
– Grande surface d’échange de chaleur : Les tubes permettent d’obtenir une grande surface d’échange de chaleur, ce qui permet un transfert de chaleur efficace entre les deux fluides.
– Facilité d’entretien : Les tubes peuvent être facilement remplacés en cas de besoin, ce qui permet une maintenance plus facile et moins coûteuse de l’échangeur.
– Flexibilité : Les échangeurs tubulaires peuvent être conçus pour répondre à des exigences spécifiques en termes de température, de pression et de débit de fluides, ce qui les rend flexibles et adaptables à une large gamme d’applications.
– Résistance à la corrosion : Les matériaux utilisés (principalement des aciers inoxydables) pour la construction des tubes sont souvent résistants à la corrosion, ce qui les rend adaptés pour des applications dans des environnements corrosifs.

Inconvénients :
– Coût initial élevé : Les échangeurs tubulaires sont souvent plus coûteux à l’achat et à l’installation que d’autres types d’échangeurs de chaleur.
– Espace requis : Les échangeurs tubulaires nécessitent généralement plus d’espace pour l’installation que les échangeurs de chaleur à plaques ou à coque et tube, ce qui peut être un inconvénient dans les installations où l’espace est limité.
– Difficulté de nettoyage : En raison de la complexité de la construction tubulaire et de leur taille, le nettoyage des échangeurs tubulaires peut être plus difficile et prendre plus de temps que pour d’autres types d’échangeurs de chaleur.
– Risque de fuites : Les échangeurs tubulaires comportent de nombreux joints et connexions, ce qui peut augmenter le risque de fuites de fluides. Pour réduire ce risque de fuite, il est important de choisir un expert tel que Labbe Process Equipment pour la conception et la fabrication de vos échangeurs tubulaires.

Si vous êtes intéressés par d’autres échangeurs de chaleur, Labbe Process Equipment est en mesure de concevoir et fabriquer des échangeurs à plaques soudées, et des échangeurs tubes à ailettes.