Échangeurs de chaleurs

La surface d’échange d’un échangeur à plaques est composée de plaques métalliques ondulées équipées de joints, serrées les unes contre les autres à l’aide de tirands entre deux flasques, l’un fixe et l’autre mobile (figures 1 et 2). Un rail fixé sur le flasque fixe et sur un pied supporte l’ensemble des plaques et permet le déplacement de celles-ci (montage, nettoyage, …).

Un joint par plaque assure l’étanchéité de l’échangeur ainsi que la répartition des fluides dans les canaux formés par deux plaques. Le nombre et la taille des plaques varient selon les débits, les propriétés physiques, le programme de température et les pertes de charge des fluides en circulation. Les plaques définissent ainsi un ensemble de canaux dans lesquels circulent alternativement chacun des fluides, comme l’illustrent les photos 3 et 4, ou l’animation 1.

Les échangeurs à plaques et joints sont surtout utilisés pour les transferts de chaleur entre fluides monophasiques, mais de plus en plus d’applications existent en diphasique, condensation ou évaporation.

L’échangeur à plaques soudées ou brasées est une variante de l’échangeur à plaque et joints conventionnel, car sa surface d’échange est bien constituée d’une série de plaques métalliques à cannelures inclinées, mais il ne possède ni joints d’étanchéité ni tirants de serrage.

Les plaques sont en acier inoxydable ou en aluminium et sont assemblées par brasure dans un four sous vide, ce qui limite la taille de ces échangeurs. La soudure est effective sur le pourtour de la plaque ainsi qu’aux points de contacts entre deux plaques successives.

Ces échangeurs, qui restent généralement de petites tailles, peuvent être utilisés dans des conditions plus sévères que les échangeurs à plaques et joints : pression de service jusqu’à 30 bars, température de 225°C et débit d’eau jusqu’à 50 m3 .h-1 .

Ils sont largement utilisés dans les applications suivantes : production d’eau chaude sanitaire, évaporation/condensation, chauffage, réfrigération d’huile hydraulique

Nous décrivons dans cette dernière partie toujours des échangeurs à plaques brasées, mais pour lesquels des ondes sont insérées entre les plaques de façon à accroître la turbulence et donc le transfert de chaleur.

Différents types d’ondes sont présentées sur la figure 8 ci-dessous. Chaque type d’onde possède ses propres caractéristiques hydrauliques et thermiques : les ondes droites (perforées ou non) donnent des performances identiques à celles que donneraient des tubes de diamètre hydraulique équivalent, alors que les ondes décalées (serrated) créent plus de turbulence et améliorent donc le coefficient de transfert thermique.

Les ondes, grâce à leur configuration particulière, peuvent procurer une surface secondaire allant jusqu’à 90% de la surface totale, ce qui permet de loger dans un volume réduit une très grande surface d’échange : plus de 1500 m2 .m-3 . En outre, ces échangeurs souvent réalisés en aluminium allient une légèreté exceptionnelle à une excellente tenue mécanique. Ils sont particulièrement utilisés dans le domaine de la cryogénie, avec des niveaux de température compris entre –269°C et +65°C et des niveaux de pressions pouvant atteindre 75 bars.

En raison des fortes turbulences créées, les coefficients d’échange global de transfert thermique obtenus dans les échangeurs à plaques sont beaucoup plus élevés que ceux obtenus dans les échangeurs multitubulaires.

L’ordre de grandeur est, d’après les principaux constructeurs :

Si les coefficients d’échange sont élevés, les pertes de charge le sont aussi. En conséquence, le calcul d’un échangeur à plaques est toujours basé sur l’utilisation de la perte de charge maximale acceptable.

Les turbulences élevées, ainsi que l’état de surface des plaques polies contribuent par ailleurs à un encrassement très faible. Les valeurs moyennes usuelles des résistances d’encrassement sont différentes de celles mesurées et reportées pour les échangeurs tubes et calandre, et sont, d’après les principaux constructeurs :