Quels sont les types d’échangeurs de chaleur basés sur la construction ?

Échangeurs de chaleur sont des dispositifs essentiels dans diverses industries, utilisés pour transférer de la chaleur entre deux ou plusieurs fluides sans les mélanger. Leur conception et leur construction peuvent varier en fonction de l'application, des conditions de fonctionnement et des propriétés du fluide. Ci-dessous, nous approfondirons les différents types d’échangeurs de chaleur classés en fonction de leur construction.

1. Échangeur de chaleur à calandre et à tubes
Il s’agit du type d’échangeur de chaleur le plus largement utilisé, en particulier dans les industries telles que la pétrochimie, la chimie et la production d’électricité. La conception de base implique une série de tubes, dans lesquels un fluide s'écoule à travers les tubes intérieurs et un autre fluide s'écoule sur la surface extérieure des tubes (côté coque). Le transfert de chaleur entre les fluides s’effectue à travers les parois des tubes.

Principales caractéristiques :

Flexibilité de taille : Peut être construit en différentes tailles et capacités.

Tolérance haute pression : convient aux applications haute pression.

Conception compacte : permet un transfert de chaleur important dans un espace relativement petit.

Polyvalence : fonctionne bien avec les fluides monophasés et biphasés.

Variantes :

Échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes : les deux plaques tubulaires sont soudées à la coque.

Échangeur de chaleur à tubes en U : les tubes sont pliés en forme de U, permettant la dilatation thermique.

Applications :

Utilisé pour refroidir ou chauffer divers fluides comme l’eau, l’huile et les produits chimiques.

2. Échangeur de chaleur à plaques
Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués de plusieurs plaques métalliques minces et ondulées empilées ensemble. Les fluides circulent dans des canaux alternés entre les plaques. La conception ondulée augmente les turbulences, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur. Ils sont utilisés dans les industries où l’espace est une contrainte et où des taux de transfert thermique élevés sont requis.

Principales caractéristiques :

Compact et efficace : offre un transfert de chaleur élevé dans un encombrement réduit.

Conception modulaire : des plaques peuvent être ajoutées ou retirées en fonction des besoins en transfert thermique.

Entretien : Facile à nettoyer et à entretenir, car les plaques peuvent être démontées.

Applications :

Courant dans les systèmes CVC, la transformation des aliments et les industries chimiques.

3. Échangeur de chaleur refroidi par air
Dans les échangeurs de chaleur refroidis par air, l’air est utilisé pour refroidir le fluide. Le fluide circule dans des tubes et la chaleur est dissipée dans l’atmosphère par convection forcée ou naturelle de l’air. Ceux-ci sont couramment utilisés dans les applications où l’eau est rare ou indisponible pour le refroidissement.

Principales caractéristiques :

Pas besoin d’eau : Idéal pour les zones aux ressources en eau limitées.

Maintenance réduite : moins de composants à entretenir par rapport aux échangeurs de chaleur refroidis à l'eau.

Convient aux applications à températures plus élevées : en particulier dans les industries comme le pétrole et le gaz.

Applications :

Utilisé dans les centrales électriques, les raffineries et les stations de compression.

4. Échangeur de chaleur à double tuyau
Un échangeur de chaleur à double tuyau est constitué d'un tuyau inséré dans un autre, où deux fluides circulent dans des directions opposées. Un fluide s'écoule à travers le tuyau interne et l'autre fluide s'écoule dans l'espace annulaire entre les tuyaux interne et externe. Ces échangeurs sont généralement utilisés pour de petits besoins de transfert de chaleur.

Principales caractéristiques :

Conception simple : facile à comprendre et à entretenir.

Flexibilité : Peut gérer une large gamme de fluides.

Faible taux de transfert de chaleur : convient aux opérations à petite échelle.

Applications :

Utilisé dans les applications de laboratoire et les processus de chauffage et de refroidissement à petite échelle.

5. Échangeur de chaleur à tubes à ailettes
Dans un échangeur de chaleur à tubes à ailettes, le transfert de chaleur s'effectue à travers des tubes auxquels sont fixées des ailettes. Ces ailettes augmentent la surface, améliorant ainsi l'efficacité de l'échange thermique. Le fluide à l’intérieur des tubes peut être un gaz ou un liquide, et le fluide caloporteur à l’extérieur est généralement de l’air.

Principales caractéristiques :

Transfert de chaleur amélioré : les ailettes augmentent la surface, améliorant ainsi l'efficacité.

Conception compacte : convient aux applications dans un espace limité.

Variété de conceptions : différents types d'ailettes peuvent être utilisés en fonction des exigences de transfert de chaleur.

Applications :

Commun dans les systèmes de réfrigération, de climatisation et de chauffage.

6. Échangeur de chaleur en spirale
Les échangeurs de chaleur en spirale sont constitués de deux plaques plates enroulées en spirale, un fluide circulant dans la spirale intérieure et l'autre dans la spirale extérieure. La conception en spirale crée une grande surface et favorise les turbulences, améliorant ainsi le transfert de chaleur.

Principales caractéristiques :

Conception compacte : plus petite et plus légère que les autres types pour la même zone de transfert de chaleur.

Propriétés autonettoyantes : La conception en spirale minimise l’encrassement et l’accumulation.

Gère les fluides visqueux : efficace pour les fluides à haute viscosité.

Applications :

Convient aux applications dans la transformation des aliments, les industries chimiques et la fabrication pharmaceutique.

7. Échangeur de chaleur à plaques et cadres
Un échangeur de chaleur à plaques et à cadre se compose d'une série de plaques avec des canaux d'écoulement de fluide alternés. Il est enfermé dans un cadre et les plaques sont serrées ensemble pour former une pile. Cette construction est idéale pour les applications où la capacité de transfert de chaleur doit être évolutive et où une maintenance facile est souhaitée.

Principales caractéristiques :

Conception évolutive : des plaques peuvent être ajoutées ou retirées pour ajuster la capacité.

Haute efficacité : Excellents taux de transfert de chaleur grâce à des turbulences élevées.

Polyvalent : gère une variété de fluides, y compris ceux contenant des particules ou des débris.

Applications :

Largement utilisé dans l'industrie alimentaire et des boissons, les systèmes CVC et les processus chimiques.

8. Échangeur de chaleur à caloduc
Les caloducs sont des conteneurs scellés qui transfèrent la chaleur via l'évaporation et la condensation d'un fluide de travail. Les échangeurs de chaleur à caloduc utilisent le mécanisme du caloduc pour déplacer la chaleur entre deux fluides. Le caloduc fonctionne en évaporant un liquide du côté chaud et en le condensant du côté froid, transférant ainsi efficacement la chaleur.

Principales caractéristiques :

Très efficace : peut atteindre une conductance thermique élevée avec de faibles gradients de température.

Fonctionnement compact et passif : ne nécessite aucune alimentation externe pour fonctionner.

Excellent pour les applications de haute précision : en particulier là où le contrôle de la température est critique.

Applications :

Utilisé dans le refroidissement électronique, la cryogénie et les applications spécialisées de transfert de chaleur.

9. Échangeur de chaleur à lit fluidisé
Les échangeurs de chaleur à lit fluidisé impliquent une masse de particules solides en suspension dans un flux de fluide, généralement de l'air ou du gaz. Le fluide crée un « lit » où le transfert de chaleur se produit entre le fluide et les particules solides. Ces échangeurs offrent un transfert de chaleur efficace et sont très efficaces pour les systèmes dans lesquels des solides doivent être chauffés.

Principales caractéristiques :

Bon transfert de chaleur : Le lit fluidisé crée un excellent contact thermique entre les particules et le fluide.

Gère des charges thermiques élevées : peut supporter des capacités thermiques et des températures élevées.

Résistant à l'encrassement : L'état fluidisé empêche l'accumulation de contaminants.

Applications :

Utilisé dans la production d’électricité, les réacteurs chimiques et le traitement de la biomasse.

Conclusion
Le choix d'un échangeur de chaleur dépend de plusieurs facteurs tels que le type de fluides traités, les exigences de transfert de chaleur, les contraintes d'espace, les besoins de maintenance et les températures de fonctionnement. Chaque type de construction offre des avantages uniques adaptés à des applications industrielles spécifiques. Qu'il s'agisse de la conception simple d'un échangeur à double tube ou d'un échangeur de chaleur à plaques et à cadre très efficace, la compréhension de ces types permet aux ingénieurs de prendre des décisions éclairées pour des performances optimales et une rentabilité dans les opérations de transfert de chaleur.