Le monde des échangeurs de chaleur tubulaires est très varié. Il commence par de petits échangeurs inox de quelques dizaines de tubes pour l’agroalimentaire jusqu’à de gros échangeurs comme les générateurs de vapeur dans le nucléaire, qui peut compter plus 10 000 tubes par plaques.
Qu’est-ce qu’un échangeur tubulaire ? Quels sont ses avantages et inconvénients ?
Pour quels types d'applications sont-ils utilisés ?
Nous vous apporterons des réponses à toutes ces questions dans cet article !
Fonctionnement d'un échangeur de chaleur tubulaire
Un échangeur tubulaire est un type d'échangeur de chaleur composé de tubes enfermés dans une calandre. C'est un dispositif très courant dans les industries où l'objectif est de récupérer la chaleur des gaz ou des liquides.
Le principe de l’échangeur de chaleur tubulaire repose sur un faisceau de tubes qui est disposé verticalement ou bien encore horizontalement à l’intérieur d’une enveloppe que l’on nomme la calandre.
Un échangeur tubulaire fonctionne grâce à un échange de chaleur entre deux fluides. D’une part le fluide dit « chauffant » et d’autre part le fluide dit « chauffé ».
Les fluides peuvent être de diverses natures et l’échangeur tubulaire peut permettre un échange : Gaz/gaz, liquide/ liquide, liquide/ gaz … etc.
Il existe sur le marché différentes catégories d’échangeurs tubulaires en fonction de l’application recherchée par l’utilisateur :
- Condenseur : dans cette configuration, le but de l’échangeur va être de permettre la transformation d’un gaz en liquide. L’échangeur va donc, comme son nom l’indique, avoir pour rôle de condenser de la vapeur sur une surface froide. Le condenseur est donc un système frigorifique qui va permettre un échange de chaleur entre un fluide réfrigérant et un milieu extérieur, assurant le changement d’état du fluide à pression constante puis sa désurchauffe ainsi que son sous-refroidissement. De cette manière, le fluide sort du condenseur à l’état liquide et non plus gazeux.
- Refroidisseur: cette fois, le rôle de l'échangeur est de refroidir un liquide.
- Bouilleur: c’est un procédé notamment utilisé dans les unités de distillation car l’objectif principal est d’effectuer une vaporisation partielle des fonds de colonnes de distillation. On vaporise un mélange de liquides ou bien un mélange de liquides et de solides. Ce procédé est également utilisé pour le chauffage.
- Réchauffeur: capable de fonctionner dans des conditions extrêmes, le refroidisseur dans les industries a pour but de réchauffer un volume de liquide ou des gaz.
- Évaporateur: son but est de concentrer une solution grâce à un apport d’énergie pour réaliser un changement d’état de la phase liquide à la phase gazeuse.
- Cristalliseur: dans cette dernière configuration l’échangeur va permettre d’isoler un produit pour pouvoir le récupérer sous une forme solide.
Dimensionnement d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire et calandre
La première étape du processus de dimensionnement consiste à choisir la technologie la plus adaptée au client. Cela implique de prendre en compte le rôle que l'échangeur jouera dans l'industrie, son emplacement, le type de fluides, les pressions et les températures.
Une fois ces dimensions établies, la puissance thermique de l'échangeur à faisceau tubulaire et calandre doit être déterminée et la surface d'échange thermique nécessaire calculée.
Dans une étape suivante, il est important de mesurer la perte de charge admissible, c'est-à-dire la perte d'énergie subie par un fluide en mouvement.
Une fois les plans de construction prêts, l'échangeur de chaleur tubulaire est alors prêt à être fabriqué.
Les échangeurs de chaleur tubulaires sont fabriqués en acier inoxydable, Duplex, alliage de nickel ou Incoloy.
Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur tubulaires
Tout d'abord, l'échangeur tubulaire est extrêmement robuste et fiable. C'est un équipement industriel fabriqué en acier inoxydable, il peut donc supporter des pressions élevées et des températures extrêmes. Cet échangeur peut fonctionner avec différents types de fluides et s'adapter à diverses applications.
De plus, le risque de dépôt au sein de l’échangeur tubulaire est à prendre en compte, tout comme le fait que son inspection ne soit pas aisée car le plus souvent il est doté de grands tubes qu’il faut intégralement sortir de l’appareil pour pouvoir les nettoyer.
De plus, le risque de dépôts de matières à l'intérieur de l'échangeur doit être pris en compte, ainsi que le fait que l'inspection n'est pas aisée. De nombreux échangeurs à faisceau tubulaire et calandre sont composés de grands tubes qui doivent être entièrement retirés de l'appareil pour être nettoyés.
