Le guide complet des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

Fonctionnement des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

Un échangeur de chaleur à calandre et tubes se compose d’un faisceau de tubes parallèles enfermés dans une calandre cylindrique. Un fluide — le fluide côté tubes — circule à l’intérieur des tubes. Un second fluide — le fluide côté calandre — circule à l’extérieur des tubes, à l’intérieur de la calandre. La paroi des tubes forme la surface de transfert thermique entre les deux fluides.

Des chicanes à l’intérieur de la coque dirigent le fluide côté coque à travers le faisceau de tubes en une série de passages, ce qui augmente la turbulence et l’efficacité du transfert de chaleur. Le nombre de passages dans les tubes — c’est-à-dire le nombre de fois où le fluide côté tubes parcourt la longueur de l’échangeur — peut être modifié pour optimiser les performances thermiques en fonction de l’application spécifique.

Principaux types de conception

Plaque tubulaire fixe

La conception la plus courante et la plus économique. Les plaques tubulaires à chaque extrémité sont soudées de manière permanente aux tubes et à l’enveloppe. Cette conception est la mieux adaptée aux applications où la différence de température entre les fluides de l’enveloppe et des tubes est modérée, ce qui limite les contraintes de dilatation thermique. Ne peut pas être démonté pour un nettoyage mécanique du côté de l’enveloppe.

Tubes en U

Les tubes sont courbés en forme de U et fixés à une seule plaque tubulaire. Le faisceau de tubes en U peut être retiré de la coque pour inspection et nettoyage, ce qui rend cette conception adaptée aux applications présentant un risque d’encrassement côté tubes. Largement utilisé dans les applications de chauffage à la vapeur, de chauffage industriel et de production d’électricité.

Tête flottante

Une plaque tubulaire est fixe ; l’autre « flotte » — elle peut se déplacer librement dans le sens axial pour s’adapter à la dilatation thermique différentielle entre la coque et le faisceau de tubes. Cette conception permet de gérer de grandes différences de température et permet de retirer entièrement le faisceau de tubes pour l’inspection et le nettoyage des deux côtés. Privilégiée pour les applications de procédés critiques et les écarts de température élevés.

Principaux avantages des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

• Capacité à supporter des pressions et des températures élevées — les conceptions standard supportent des pressions allant jusqu’à 300 bars et des températures supérieures à 400 °C
• Robustes et bien maîtrisés — des décennies de codes de conception (TEMA, ASME, PED) fournissent un cadre d’ingénierie bien établi
• Large gamme de matériaux — les tubes et les coques peuvent être spécifiés en acier au carbone, en acier inoxydable, en titane, en Hastelloy, en duplex et dans d’autres alliages pour répondre à des exigences de compatibilité des fluides complexes
• Grandes capacités — peuvent être construits pour supporter des débits très élevés et des charges thermiques dépassant celles que les échangeurs à plaques peuvent supporter
• Prise en charge des écoulements diphasiques — convient aux condenseurs de vapeur, aux réchauffeurs et aux évaporateurs dans les applications de traitement
• Facilité d’entretien — les conceptions à tubes en U et à tête flottante permettent le retrait complet du faisceau de tubes

Limites

• Encombrement plus important que les échangeurs de chaleur à plaques pour une charge équivalente
• Rendement thermique par unité de volume plus faible — les passages multiples et les chicanes améliorent ce rendement, mais ne peuvent rivaliser avec la géométrie des plaques ondulées
• Coût initial plus élevé pour les charges faibles à moyennes par rapport aux échangeurs à plaques brasées ou à joints
• Les modèles à plaque tubulaire fixe ne peuvent pas être nettoyés mécaniquement du côté de la coque

Applications

Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes constituent le choix standard pour :

• Le raffinage du pétrole — trains de préchauffage du brut, refroidisseurs de produits, condenseurs de tête
• Traitement chimique et pétrochimique — échangeurs d’alimentation/d’effluent de réacteurs, récupération de solvants, chauffage et refroidissement de produits
• Production d’électricité — réchauffeurs d’eau d’alimentation, refroidissement des condenseurs, refroidisseurs d’huile de lubrification
• Industrie pharmaceutique — chauffage et refroidissement des fluides de process, systèmes d’eau pour injection (WFI)
• Secteur maritime et offshore — refroidissement à l’eau de mer, refroidisseurs d’huile de lubrification, CVC
• Traitement des gaz industriels — refroidissement des gaz, séparation des condensats

Échangeurs de chaleur à calandre et à tubes vs échangeurs de chaleur à plaques : quand choisir l’un ou l’autre

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