Échangeur de chaleur industriel à plaques tubulaires fixes, certifié ASME, type tube-calandre

 
Échangeur de chaleur industriel à plaques tubulaires fixes | Certifié ASME
 
 
 
Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes ?
 
Un échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes est l'un des types d'échangeurs de chaleur à calandre et à tubes les plus utilisés, réputé pour sa simplicité, sa construction robuste et sa rentabilité. Dans cette conception, le faisceau tubulaire est soudé en permanence ou expansé dans une plaque tubulaire fixe aux deux extrémités, qui est ensuite boulonnée à la calandre. Cette configuration élimine le besoin de collecteurs flottants ou de joints de dilatation dans certains cas, ce qui le rend idéal pour les applications avec des contraintes thermiques modérées et des fluides de fonctionnement propres.
 

 
 
Composants clés :
 
Plaques tubulaires :
 
Plaques épaisses et circulaires (souvent en acier au carbone, en acier inoxydable ou en titane) qui maintiennent les tubes en place.
 
Les tubes sont soudés, laminés ou expansés dans les plaques tubulaires pour assurer une étanchéité.
 
Tubes :
 
Généralement de ¾" à 1,5" de diamètre, fabriqués à partir de matériaux comme le cuivre, l'acier inoxydable, le titane ou des alliages de nickel.
 
Disposés en configurations triangulaires (30°/60°), carrées (90°) ou carrées rotatives pour équilibrer le transfert de chaleur et l'accès au nettoyage.
 
Calandre :
 
Récipient cylindrique (acier au carbone revêtu de matériaux résistants à la corrosion) contenant le faisceau tubulaire.
 
Les chicanes (segmentaires, hélicoïdales ou de type tige) dirigent l'écoulement du fluide côté calandre pour améliorer la turbulence et le transfert de chaleur.
 
Canaux/Collecteurs :
 
Distribuent le fluide côté tube en plusieurs passes (1 passe, 2 passes, etc.) pour optimiser la vitesse et le temps de séjour.
 
 
Principe de fonctionnement
 
Les fluides circulent à travers deux circuits séparés :
 
Fluide côté tube : Passe à travers les tubes (1 à 8 passes, selon la conception).
 
Fluide côté calandre : Circule autour des tubes, guidé par des chicanes pour maximiser le contact en écoulement transversal.
La chaleur est transférée à travers les parois des tubes par conduction et convection, les configurations à contre-courant atteignant la plus grande différence de température moyenne logarithmique (DTML).
 
 
Spécifications techniques
 

 
 
Considérations de conception
 
Gestion des contraintes thermiques :
 
Les plaques tubulaires fixes limitent la dilatation thermique différentielle entre la calandre et les tubes.
 
Solutions :
 
Joints de dilatation : Les soufflets ou les joints à bride absorbent la dilatation axiale (courant dans les applications de vapeur).
 
Appariement des matériaux : Utiliser des coefficients de dilatation thermique similaires pour les matériaux de la calandre et des tubes (par exemple, calandre en acier au carbone avec des tubes en acier au carbone).
 
Contraintes de pression :
 
Plaques tubulaires épaissies (jusqu'à 300 mm) pour les applications haute pression.
 
Diamètres de tubes plus petits (par exemple, ¾") améliorent la résistance à la pression.
 
Atténuation de l'encrassement :
 
Tubes lisses avec revêtements antiadhésifs (PTFE) pour les fluides visqueux.
 
Orifices de nettoyage chimique ou systèmes CIP (Clean-in-Place) pour la maintenance.
 
 
Sélection des matériaux
 

 
 
Avantages
 
Faible coût : Moins de pièces mobiles et fabrication plus simple que les conceptions à collecteur flottant ou à tube en U.
 
Résistance aux fuites : Les plaques tubulaires soudées minimisent les risques de fuite.
 
Compacité : Idéal pour les tâches à haute pression/température dans un espace limité.
 
 
Limitations
 
Défis de maintenance : Les faisceaux tubulaires ne peuvent pas être retirés ; le nettoyage mécanique est difficile.
 
Sensibilité aux contraintes thermiques : Ne convient pas aux grands ΔT (>100°C) sans joints de dilatation.
 
Sujet à l'encrassement : Les conceptions à pas étroit risquent de se boucher avec des fluides sales.
 
 
Applications
 
Chimie/Pétrochimie : Condenseurs, rebouilleurs et refroidisseurs pour fluides non encrassants.
 
Production d'électricité : Réchauffeurs d'eau d'alimentation, refroidisseurs d'huile de graissage.
 
CVC : Refroidisseurs et systèmes de chauffage urbain.
 
Produits pharmaceutiques : Échange de chaleur stérile avec des plaques tubulaires doubles pour éviter la contamination croisée.
 
 
Normes et codes
 
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) : Classe R (Raffinerie), C (Général) ou B (Chimique).
 
ASME BPVC Section VIII : Régit la conception des appareils sous pression.
 
ISO 16812 : Spécifie les exigences des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes.
 
 
Conclusion
 
Les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires fixes trouvent un équilibre entre simplicité, fiabilité et coût, ce qui en fait un choix incontournable pour les conditions thermiques et de pression modérées. Leur flexibilité de conception — grâce à des modificateurs tels que l'espacement des chicanes, les matériaux des tubes et les joints de dilatation — permet une personnalisation pour diverses industries. Cependant, une considération attentive de l'encrassement, de la dilatation thermique et de l'accès à la maintenance est essentielle lors de la phase de conception.