L'échangeur de chaleur le plus largement utilisé : l'échangeur de chaleur à calandre et à tubes

Introduction

Échangeurs de chaleur sont des composants essentiels dans de nombreux processus industriels et commerciaux, permettant le transfert de chaleur d'un milieu à un autre sans contact direct. Parmi les nombreux types disponibles, notamment les échangeurs de chaleur à plaques, à tubes à ailettes, en spirale et à double tube, l'échangeur de chaleur à calandre et à tubes (STHE) se distingue comme le plus largement utilisé au monde. Sa polyvalence, sa durabilité et son efficacité en font la pierre angulaire de la gestion thermique dans des secteurs tels que la production d'électricité, le pétrole et le gaz, le CVC, le traitement chimique, etc.

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

Un échangeur de chaleur à calandre et à tubes se compose d'une série de tubes enfermés dans une coque cylindrique. Un fluide circule à travers les tubes, tandis qu'un autre fluide circule sur les tubes (à l'intérieur de la coque) pour échanger de la chaleur. Ce contact indirect assure un transfert thermique sans mélange de fluides.

Structure de base :
Tubes : généralement disposés en faisceaux et peuvent être droits ou en forme de U.

Coquille : Un récipient cylindrique entourant les tubes, contenant le deuxième fluide.

Plaques tubulaires : plaques qui maintiennent les tubes en position et isolent les fluides.

Déflecteurs : guident le fluide côté coque pour augmenter les turbulences et le transfert de chaleur.

Têtes ou embouts : dirigez le fluide dans et hors des tubes.

Principe de fonctionnement

Le principal principe de fonctionnement d’un échangeur de chaleur à calandre et à tubes est le transfert de chaleur par convection entre deux fluides à des températures différentes. La chaleur circule du fluide le plus chaud vers le fluide le plus froid à travers la paroi du tube.

Il existe trois configurations de flux principales :

Flux parallèle – Les deux fluides se déplacent dans la même direction.

Contre-courant – Les fluides se déplacent dans des directions opposées pour une plus grande efficacité.

Flux transversal – Les fluides s’écoulent perpendiculairement les uns aux autres.

Variantes de conception

Pour s'adapter à diverses applications, les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes sont conçus dans différentes configurations :

One-pass ou Multi-pass (le fluide effectue un ou plusieurs passages à travers les tubes)

Plaque tubulaire fixe – Simple et économique ; limité à une faible dilatation thermique.

Tête flottante ou tube en U – S'adapte à la dilatation thermique ; nettoyage et entretien plus faciles.

Normes TEMA – La Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) normalise les STHE en classes (R, C, B) pour une utilisation en raffinerie, commerciale et chimique.

Pourquoi est-il le plus utilisé ?

1. Polyvalence
Les échangeurs à calandre et à tubes peuvent supporter une large plage de températures (jusqu'à 1000°C) et de pressions (jusqu'à 500 bars). Ils sont personnalisables pour de nombreuses exigences de processus, fluides et environnements d'installation.

2. Durabilité et fiabilité
Construits avec des matériaux robustes tels que l'acier inoxydable, le titane ou l'Inconel, ces échangeurs sont adaptés aux environnements corrosifs et à fortes contraintes. Ils ont une longue durée de vie opérationnelle avec un entretien approprié.

3. Évolutivité
Ils sont disponibles dans une large gamme de tailles, des petites unités pour laboratoires aux installations industrielles massives.

4. Facilité d'entretien
Des modèles tels que les modèles à tube en U ou à tête flottante permettent le nettoyage et le remplacement du tube sans démonter l'ensemble du système.

5. Efficacité thermique
Avec une conception appropriée (par exemple, chicanes, passages multiples), les STHE peuvent réaliser un transfert de chaleur très efficace, en particulier dans les arrangements à contre-courant.

Applications courantes

1. Industrie pétrolière et gazière
Lubrifiants de refroidissement et fluides hydrauliques

Récupération de chaleur des fumées

Condensation de vapeur et de vapeurs

2. Production d'électricité
Chauffe-eau

Condenseurs de vapeur dans les centrales thermiques

3. Traitement chimique
Contrôle de température des réacteurs

Chauffage et refroidissement du produit

4. CVC et réfrigération
Systèmes d'eau glacée

Condenseurs et évaporateurs

5. Marine et aérospatiale
Systèmes de refroidissement du moteur

Récupération de chaleur perdue

Matériaux de construction
Le choix des matériaux est critique et dépend de la température, de la pression et de la résistance à la corrosion :

Acier au carbone – Courant pour les applications à faible coût.

Acier inoxydable – Haute résistance à la corrosion.

Alliages de cuivre – Excellente conductivité thermique.

Titane – Utilisé pour l'eau de mer ou les fluides hautement corrosifs.

Alliages de nickel (Inconel, Hastelloy) – Pour les environnements extrêmes.