Qu’est-ce qu’un échangeur de chaleur multitubulaires ?
Les échangeurs de chaleur multitubulaires sont une forme d’échangeur de chaleur.
Il se compose d’un corps cylindrique épais (enveloppe) et d’un certain nombre de tubes minces pour augmenter la surface d’installation, et la chaleur est échangée entre le fluide circulant du côté du corps et le fluide du côté des tubes.
Les fluides chauds et froids ne doivent pas se mélanger directement, mais seule la chaleur doit être transférée. Il est donc important que les deux fluides traversent une paroi fixe séparée par un métal ou un autre matériau afin de garantir un transfert de chaleur efficace.
Dans la pratique, divers facteurs entrent en jeu, tels que la température et la pression à utiliser, la nature du fluide et l’emplacement de l’installation, et il existe une grande variété d’applications. Lorsqu’ils sont classés par structure, les types les plus courants sont les échangeurs de chaleur multitubulaires et les échangeurs de chaleur à plaques.
Utilisations des échangeurs de chaleur multitubulaires
Comme les échangeurs de chaleur multitubulaires peuvent être utilisés pour toutes les applications, de la basse à la haute pression, de la basse à la haute température, de la surchauffe au refroidissement, à l’évaporation, etc., ils ne sont pas seulement utilisés dans les installations de conditionnement d’air et les installations sanitaires, mais aussi dans divers domaines de l’industrie, tels que les usines chimiques et les installations de raffinage du pétrole, depuis de nombreuses années.
Principe des échangeurs de chaleur multitubulaires
Grâce à leur structure, les échangeurs de chaleur multitubulaires peuvent être utilisés dans une large gamme d’applications, de la basse à la haute pression, car la perte de charge peut être réduite, et ils peuvent également être utilisés pour des fluides à haute viscosité. De nombreux modèles peuvent être démontés grâce à leur structure simple, ce qui rend la maintenance relativement aisée. La chaleur résiduelle peut également être utilisée du côté du réfrigérant, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie.
Les échangeurs de chaleur avec une phase liquide ou gazeuse d’un côté sont appelés échangeurs de chaleur monophasés. Les échangeurs de chaleur à deux phases peuvent soit chauffer un liquide pour le transformer en gaz bouillant (vapeur) (chaudières), soit refroidir la vapeur pour la condenser en liquide (condenseurs), le changement de phase s’effectuant généralement du côté de l’enveloppe.
Les chaudières des moteurs à vapeur sont généralement de grands échangeurs de chaleur cylindriques à calandre. Dans les grandes centrales électriques équipées de turbines à vapeur, les condenseurs de surface à calandre sont utilisés pour condenser la vapeur d’échappement de la turbine en condensat, qui est ensuite retransformé en vapeur dans le générateur de vapeur.
Types d’échangeurs de chaleur multitubulaires
Les échangeurs de chaleur multitubulaires peuvent être classés en trois catégories en fonction de leur construction.
1. Type à plaque tubulaire fixe
Le type à plaque tubulaire fixe a une structure simple avec des tubes fixés à des plaques tubulaires aux deux extrémités du corps. Des joints de dilatation sont parfois prévus dans le corps pour dissiper les contraintes thermiques.
2. Type de tube en U
Les tubes en U sont construits en pliant le tube en forme de U et en fixant les extrémités aux plaques tubulaires d’un côté du fuselage. Le tube peut se dilater et se contracter librement.
3. Type à tête flottante
Les têtes flottantes sont constituées d’une plaque tubulaire fixe d’un côté et d’une plaque tubulaire flottante de l’autre, ce qui permet un mouvement libre. Elle est démontable et peut donc être utilisée même lorsque l’environnement de fonctionnement est difficile, mais elle présente l’inconvénient d’une structure plus complexe et d’un plus grand nombre de pièces par rapport aux autres types.
4. Échangeurs de chaleur à plaques
Les échangeurs de chaleur à plaques ont une structure dans laquelle les fluides à haute et à basse température circulent alternativement entre les plaques de transfert de chaleur, qui sont constituées d’une série de plaques minces complexes formées à la presse. Comparé au type multitubulaire, l’échangeur de chaleur à plaques a une efficacité d’échange de chaleur plus élevée et est plus léger et plus compact par rapport à des performances équivalentes, mais il ne peut pas être démonté et est difficile à entretenir.
La forme des plaques de transfert de chaleur provoque un effet de turbulence du fluide, ce qui rend difficile l’adhésion de la saleté à la surface des plaques, mais cette structure peut également provoquer des blocages dans les voies d’écoulement.
Autres informations sur les échangeurs de chaleur multitubulaires
Comment sélectionner les matériaux des tubes
Les matériaux des tubes des échangeurs de chaleur multitubulaires sont généralement constitués de métaux tels que l’aluminium, les alliages de cuivre, l’acier inoxydable, l’acier au carbone et les alliages de cuivre non ferreux. Il est important de choisir avec soin le matériau des tubes, en tenant compte des points suivants, car un mauvais choix peut entraîner des fuites du côté de l’enveloppe et du tube, une contamination croisée des liquides et une éventuelle perte de pression.
- Résistance
La chaleur est transférée du côté chaud au côté froid à travers les tubes, ce qui entraîne des différences de température dans la largeur des tubes. En outre, les matériaux des tubes ont des coefficients de dilatation thermique différents à des températures différentes, de sorte que des contraintes thermiques apparaissent pendant le fonctionnement et que le fluide lui-même est soumis à une pression élevée et à des contraintes thermiques. - Conductivité thermique
Pour un transfert de chaleur efficace dans les échangeurs de chaleur, il est important que le matériau du tube ait une bonne conductivité thermique. - Résistance à la corrosion
Pour minimiser la dégradation, le matériau du tube doit être compatible avec le fluide, tant du côté de l’enveloppe que du côté du tube, pendant une longue période dans les conditions de fonctionnement (température, pression, pH, etc.).