Les échangeurs de chaleur fonctionnent tous en faisant circuler un fluide chaud et un fluide froid sur les faces opposées d'une pièce métallique. La chaleur d'un fluide traverse le métal (thermoconducteur) et atteint l'autre fluide sans contact. Une vitesse de fluide élevée, une forte turbulence, une grande surface spécifique et un différentiel de température important contribuent à un transfert de chaleur plus efficace. Cependant, certaines conceptions sont plus efficaces que d'autres, selon l'application.
Il existe trois types courants d'échangeurs de chaleur. Ils peuvent tous être efficaces dans diverses applications de transfert de chaleur, mais l'optimisation de l'efficacité, du coût et de l'espace dépend fortement du processus d'installation de l'échangeur. Cet article explique les différences qualitatives fondamentales entre les échangeurs de chaleur courants afin de vous aider à choisir celui qui convient le mieux à votre application.
Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes portent bien leur nom : leurs principaux composants sont un faisceau de tubes ( image ci-dessous ) et une calandre qui les contient. Un fluide traverse les tubes, tandis que le second traverse la calandre plus grande, les entourant. Le prototype d'échangeur de chaleur à calandre et tubes ne comporte qu'un seul tube intérieur et est généralement utilisé pour enseigner les principes de base d'un échangeur de chaleur aux étudiants en ingénierie. Cependant, en pratique, un faisceau de tubes plus petits est beaucoup plus efficace, car il augmente considérablement la surface de transfert thermique (et a, de surcroît, un léger effet positif sur la turbulence).
L'échangeur de chaleur à calandre et tubes illustré ci-dessus a une efficacité environ douze fois supérieure à celle d'un échangeur de chaleur monotube hypothétique de même taille. Cependant, les tubes plus petits présentent un inconvénient : si le fluide utilisé est très visqueux ou contient des particules, il peut encrasser le tube et compromettre le processus de transfert thermique.
Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes ont dominé le marché jusqu'à la fin du XXe siècle, lorsque les échangeurs de chaleur à plaques ont commencé à être remplacés dans de nombreuses applications industrielles et la plupart des systèmes CVC. Grâce à leur conception simple, ils occupent une place de choix dans les programmes d'ingénierie du monde entier. Ils présentent de nombreux avantages qui ont contribué à leur succès. Tout d'abord, leur coût relativement faible : il s'agit essentiellement d'un ensemble de tubes. De plus, grâce à leur conception hydrodynamique et aérodynamique, ils peuvent supporter des températures et des pressions de fonctionnement plus élevées qu'un échangeur de chaleur à plaques classique, qui, en raison de sa compacité, doit changer de direction d'écoulement plusieurs fois par cycle. Cela signifie également que la perte de charge entre l'entrée et la sortie est plus faible, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie.
Malgré ces avantages, les échangeurs de chaleur à plaques sont de plus en plus prisés en raison de leur meilleur transfert de chaleur (nous verrons pourquoi dans un instant), de leur facilité d'entretien et de nettoyage, de leur modularité et de leur compacité.
Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués d'une série de plaques maintenues ensemble dans un grand cadre. Ils ont deux entrées et deux sorties, et les espaces entre les plaques alternent entre les deux liquides (chaud, froid, etc., comme illustré ci-dessus à droite). Cette conception permet un rendement de transfert de chaleur très élevé grâce à sa grande surface, bien supérieure à celle d'un échangeur à tubes et calandre occupant un espace similaire. Les échangeurs de chaleur à plaques sont aussi beaucoup plus faciles à nettoyer et à entretenir, car ils sont conçus pour être relativement faciles à démonter et à inspecter. De plus, en cas de défaut sur une plaque, il suffit d'en retirer deux et de remettre l'appareil en service avec une capacité légèrement inférieure en attendant son remplacement. Les échangeurs de chaleur à tubes et à calandre ne bénéficient pas de ce luxe.
Bien que tous les échangeurs de chaleur à plaques soient munis de plaques ondulées, leur étanchéité peut varier. Par ordre croissant de résistance aux fuites (et de prix), les échangeurs de chaleur à plaques peuvent être à joints, brasés ou soudés. Les joints, bien que plus sensibles aux défaillances sous pression, sont peu coûteux et faciles à remplacer. Ils offrent également l'avantage indispensable de la modularité : un échangeur de chaleur à plaques et joints peut être entièrement démonté et des plaques peuvent être ajoutées pour augmenter la capacité à tout moment. Si un échangeur de chaleur à plaques est brasé ou soudé, l'ajout de plaques après coup est très difficile et coûteux. En général, les échangeurs de chaleur à plaques et à joints sont privilégiés dans les environnements industriels où la flexibilité est primordiale. Les échangeurs de chaleur à plaques soudées sont rares en raison de leur coût élevé, mais les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont courants dans les installations CVC, où le remplacement est plus facile que l'entretien.
Bien que sa part de marché soit bien inférieure à celle des deux catégories précédentes, la technologie des plaques alvéolées/serpentins à plaques constitue la solution idéale pour les applications où l'un des fluides est immobile. Elle est également utile pour les applications de modernisation, comme la récupération de chaleur perdue, qui n'était pas prise en compte dans les plans initiaux. En général, c'est une bonne option pour le chauffage ou le refroidissement passif d'un réservoir de stockage (comme une cuve à bière ou une cuve laitière) où la réfrigération ou le chauffage seraient autrement coûteux.
Le principe est très simple : deux tôles d'acier sont soudées par points, puis gonflées pour créer des canaux entre les plaques afin de permettre la circulation du fluide. Grâce à sa simplicité et à l'utilisation de matériaux peu coûteux, la technologie des plaques alvéolées/serpentins à plaques peut généralement être personnalisée pour chaque application. L'application la plus courante est celle des chemises de cuves pour les cuves à bière et les cuves laitières, mais des sections de plaques alvéolées peuvent également être découpées pour s'adapter à l'intérieur d'une cuve et immergées dans le liquide stocké pour un transfert thermique efficace.
Les échangeurs à plaques alvéolées/à serpentins offrent le meilleur des deux types d'échangeurs de chaleur mentionnés ci-dessus : ils sont économiques, personnalisables et compacts, mais grâce à leur conception et à leurs matériaux, ils peuvent résister à des pressions et des températures extrêmement élevées. Ils peuvent également être intégrés ultérieurement à de nombreux procédés industriels, notamment pour réduire les coûts énergétiques ou se conformer aux réglementations environnementales.
Les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) supplantent les modèles à tubes et à calandre dans de nombreux secteurs grâce à leur compacité, leur efficacité et leur facilité d'entretien. Si vous devez chauffer ou refroidir efficacement un fluide de votre procédé existant, les échangeurs de chaleur à plaques peuvent être la solution idéale. Découvrez comment la construction et les matériaux utilisés dans les PHE en font une excellente source de transfert de chaleur lorsque l'espace au sol est limité.
Pour les applications haute pression/température qui excluent l'utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques traditionnel, un système de transfert de chaleur passif personnalisé pour votre réservoir existant peut être la meilleure solution. Découvrez comment ajouter une plaque alvéolée à votre réservoir pour optimiser son efficacité et gagner de la place.
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