Échangeurs de chaleurs

Dans certains cas, les impératifs de la fonction de l’appareil imposent un choix sur le côté du fluide (exemples : fluide à rebouillir côté calandre pour un kettle).

On mettra de préférence du côté tubes :

• Le fluide sous la plus haute pression :

o Un tube résiste mieux à la pression intérieure qu’a la pression extérieure

o La plus grande épaisseur n’est pas à appliquer à la calandre dont la longueur est plus grande que celle des boites.

• Le fluide à température élevée :

o Pertes thermiques limitées,

o Epaisseur de calandre minimale,

• Le fluide corrosif,

• Le fluide salissant

o Nettoyage mécanique des tubes plus facile que celui de la calandre,

- Le fluide de plus faible capacité calorifique globale (plus faible Cpm)

Par ailleurs, il faut prendre en compte d’éventuels impératifs de sécurité :

• risques de ruptures,

• risques de fuites (et dans quel sens selon les niveaux de pression).

On peut résumer les critères de sélection pour le choix de la technologie pour un échangeur tubes calandre par la représentation de la figure 7. Parmi tous les paramètres les deux principaux à prendre en compte sont l'encrassement et l'écart de température entre les deux fluides. Ce choix doit aussi être un compromis avec le coût de l’investissement. Il faudra s’assurer que la technologie tubes calandre est bien la meilleure pour le service demandé.

Le tableau 9 présente les caractéristiques d'appareils les plus fréquemment rencontrés.

De façon générale, il est plus économique d’utiliser des tubes de petit diamètre car l’appareil est alors plus compact (diamètre de la calandre plus faible) pour une surface et une longueur de tubes donnés. L’utilisation de petit diamètre est quelque fois impossible si on veut minimiser la perte de charge. Pour des applications avec des produits encrassant des diamètres plus importants sont utilisés surtout si un nettoyage mécanique est nécessaire.

Avec une même vitesse dans les tubes l’utilisation de petit diamètre augmente la perte de charge et le coefficient de transfert.

Le nombre de passes du côté tubes ou du côté calandre pour une spécification optimisée de l’appareil dépend :

• des températures en opération,

• de la perte de charge admissible,

• de la vitesse des fluides,

• de l’expérience.

Dans tous les cas le nombre de passes du côté tubes ou calandre influe sur la valeur de la différence de température logarithmique moyenne corrigée (F*ΔTLM). La dimension et le coût de l’appareil sont ainsi très étroitement liés à la sélection du nombre de passes.

Le coût minimum sera pour un service donné d’avoir le plus petit nombre de calandre. En général on a une seule calandre si on n'a pas de croisement.

Dans le cas où l'on croise les températures (température du fluide chaud en sortie inférieure à la température du fluide froid en sortie), un montage avec plusieurs calandres en série peut être nécessaire et être la meilleure solution. Ce cas peut se présenter dans des récupérations de chaleur entre fluide de procédé. Ce cas correspond à un échangeur à une seule calandre avec une longueur de tubes égale à la somme des longueurs de chaque calandre.

Normalement l’optimum dans le dimensionnement d’un échangeur est quand toute la perte de charge disponible est utilisée. Dans ce cas, on a le coefficient d’échange maximum et le minimum de surface d’échange.

En effet l’échangeur est installé dans un circuit pour le côté tubes et dans un autre circuit pour le côté calandre. Un dimensionnement préliminaire de pompes par exemple donne la valeur de la perte de charge considérée. Pour un condenseur de colonne travaillant sous vide on définit la pression en tête de la colonne et celle à l’aspiration de la pompe à vide. Dans ce cas la perte de charge maximum dans le condenseur est déterminée.

La perte de charge peut être minimisée par le choix du type de calandre. Pour une même longueur et diamètre de calandre, la perte de charge dans une calandre type E (une passe) peut être divisée par huit en utilisant une calandre type J (à écoulement divisé).

• Le débit est divisé par deux donc la perte de charge par quatre,

• La longueur de passage dans l’appareil pour le flux est divisée par deux donc la perte de charge par deux,

• Donc la perte de charge totale est divisée par huit.

Pour des échangeurs importants, une analyse de la valeur devra être faite entre l’investissement initial et la puissance électrique consommée avec une perte de charge variable.

Toutefois la vitesse des fluides doit être limitée afin d’éviter des dégâts sur l’appareil par les vibrations induites ou par de l’érosion.