Introduction aux échangeurs de chaleur

Introduction aux échangeurs de chaleur et aux tours de refroidissement

• Ce document sert de guide aux différents types d'échangeurs thermiques utilisés dans l'industrie.
• Examen des principes de fonctionnement, des avantages, des inconvénients et des spécificités des tours de refroidissement.
• Exploration des diverses conceptions, allant des échangeurs à double tube aux systèmes complexes à calandre, en passant par les technologies de refroidissement à air et les configurations des tours de refroidissement.

Échangeurs de chaleur à double tube

• Appartiennent à la catégorie des récupérateurs, où les fluides chaud et froid ne sont pas en contact direct.
• L'énergie est transférée d'un fluide à la surface extérieure du tuyau, à travers la paroi du tuyau, puis à la surface intérieure du tuyau vers le deuxième fluide.
• Les écoulements peuvent réalisés de manière concourante ou à contre-courant.
• Le tuyau chemisé, une forme simple d'échangeur de chaleur à double tube, se compose d'un tuyau entouré d'un autre tuyau de plus grand diamètre, souvent soudé au tuyau intérieur.

Échangeur de chaleur à tube concentrique

• Représente une forme simple d'échangeur à double tube, comprenant un simple tuyau placé à l'intérieur d'un tuyau plus grand.
• Le tuyau intérieur peut être ordinaire ou équipé d'ailettes pour augmenter la surface de transfert de chaleur.
• Ces échangeurs sont compacts avec des composantes de petite taille et peuvent servis à haute pression.
• Ils ne donnent pas de grandes surfaces de transfert de chaleur et sont adaptés aux tâches à faible chaleur avec des surfaces de moins de 50 m².
• Pour les échanges plus importants, plusieurs appareils peuvent être connectés en série ou en parallèle, selon l'espace disponible.
• Les ailettes peuvent être longitudinales, hélicoïdales lisses ou goujonnées pour améliorer l'échange thermique.

Échangeurs de chaleur en épingle à cheveux

• Assemblé d'habitude dans un atelier de tuyauterie à partir de pièces normalisées
• Principalement utilisé lorsque moins de 18 m² de transfert de chaleur sont nécessaires.
• Ils comprennent deux ensembles de tuyaux concentriques, deux tés et un coude double.
• Les tuyaux intérieurs se connectent avec un coude double, tandis que les tuyaux extérieurs se connectent avec des tés
• L'assemblage de plusieurs échangeurs en épingle à cheveux est une option.
• Les avantages comprennent une construction simple, une adaptabilité aux hautes pressions et une conception modulaire qui permet d'ajouter ou de supprimer des unités selon les besoins.
• Les inconvénients comprennent une faible surface de transfert de chaleur d'une seule épingle à cheveux, ce qui rend nécessaire d'utiliser plusieurs épingles au besoins, augmentant ainsi les points de fuite possibles

Échangeurs de chaleur à calandre

• Considéré comme le type d'équipement de transfert de chaleur plus usuel.
• Il est adapté aux applications sous pression et offre des conceptions qui répondent à de nombreux requis.
• Possède de grandes surfaces de transfert de chaleur et peut être fabriqué pour de hautes températures et pressions.
• Composé d'une calandre extérieure entourant un faisceau de tubes parallèles à l'axe longitudinal de la calandre.
• Deux types principaux : échangeurs à tubes en U et échangeurs à plaques tubulaires fixes.
• Les échangeurs à tubes en U ont des tubes en forme de U fixés à une seule plaque tubulaire, éliminant ainsi les problèmes de dilatation thermique.
• Les échangeurs à plaques tubulaires fixes ont les deux extrémités des plaques tubulaires soudées à la calandre, avec des tubes droits qui peuvent remplir complètement la calandre.

Échangeurs de chaleur à calandre à tubes en U

• Les tubes à l'intérieur possèdent une forme de U avec les deux extrémités fixées à seul plaque tubulaire.
• Les échangeurs à tubes en U nécessitent seulement un joint de plaque tubulaire, facilitant la dilatation thermique, où la calandre et les tubes peuvent se dilater à des taux différents.
• Le faisceau tubulaire peut s'enlever facilement pour le nettoyage.
• Certains modèles permettent à la calandre d'être roulée vers l'arrière, ce qui expose le faisceau tubulaire pour le nettoyage et l'entretien.
• La paroi extérieure du coude s'amincit lors de la formation d'un tube droit en U, ce qui nécessite d'établir un rayon de courbure minimal.
• Les fluides d'encrassement doivent être acheminés du côté calandre, tandis que le côté tubes en contient moins.
• Les fluides d'encrassement ont des dépôts qui limitent le transfert de chaleur
• La réparation de tubes individuels est restreinte aux rangées extérieurs avec les tubes endommagés normalement obturés et non pas remplacés..

Échangeurs à calandre à plaques tubulaires fixes

• Dans ces échangeurs, les deux extrémités des plaques tubulaires sont soudées à la calandre et les tubes sont fixés dans les plaques, ce qui leur permet de s'étendre à l'extérieur de la calandre pour servir de brides pour le boulonnage.
• Le côté calandre ne présente aucune garniture ou joint, assurant de cette façon une protection essentielle contre les fuites.
• La fabrication est facile et permet d'avoir un faible coût initial
• Chaque tube peut être réparé ou obturé sans problème.
• Utilisé dans les services à température modérée créant une faible dilatation thermique

Conceptions de têtes et types de calandres

• Il existe de nombreuses variantes de têtes pour les échangeurs à calandre.
• La tête de passage comporte souvent un couvercle amovible boulonné à la tête.
• La conception à tête de passage en une pièce, où les tuyères sont fixées(conception B).
• La conception à haute pression comprend une plaque de couvercle soudée(conception D).
• Les conceptions des têtes arrière sont semblables aux conceptions de têtes avant.
• Les conceptions de plaques tubulaires flottantes facilitent le déplacement des plaques par rapport à la calandre.
• Les types de calandres sont classés selon l'écoulement du fluide dans le côté calandre de l'échangeur.

Chicanes dans les échangeurs

• Les fluides dans la calandre ont un effet d'entrer directement puis sortir, ce qui limite l'utilisation de la surface de chauffe disponible.
• Elles sont utilisées pour diriger le fluide de calandre sur la surface des tubes dans toutes les parties de l'échangeur.
• Les chicanes sont des plaques percées espacées d'habitude sur la longueur des tubes avec un segment découpé sur les côtés opposés engendrant un écoulement en va-et-vient dans l'appareil.
• Les chicanes à disque et anneau comprennent de plus grandes chicanes avec un trou au milieu qui ressemblent à un anneau.
• Les chicanes comprennent les sections de plaques percées avec des segments découpés qui forcent le fluide à suivre un chemin sinueux sur le long - Des chicanes annulaires et des petits disques sont alternés, ce qui améliore l'efficacité du transfert thermique
• La distance entre les chicanes, appelée pas ou espacement, affecte la perte de pression dans la calandre
• Pour maximiser le transfert de chaleur, l'espacement se fait sans augmenter de façon importante la chute de pression.

Rebouilleurs

• Sont les échangeurs de chaleur à calandre retrouvé à la fois dans les usines de traitement et pétrochimiques.
• Se composent d'une calandre d'habitude horizontal avec un ensemble de tuyaux à l'intérieur
• La vapeur passe dans les tubes tandis que les liquides de procédé passent autour de la surface externe.
• Les liquides entrent dans la zone de dégagement de vapeur sur l'ensemble de tuyaux.
• Les liquides en trop coulent de la plaque de déversoir pour entreposage ou suite du traitement
• Le rebouilleur à thermosiphon vertical s'implante verticalement et près du côté tour
• Le rebouilleur à thermosiphon horizontal s'implante dans un endroit situé en dessous des tubes et près du bas des tours

Rebouilleur de type chaudière

• Ils offrent facilité et flexibilité de régulation
• Caractérisé par son grand volume de liquide et sa facile accessibilité pour entretien
• Sont dépendants de la circulation par gravité des liquides à l'intérieur de l'appareil.
• Le liquide est régi et maintenu en bonne conditions par la différence de densité entre le liquide qui est chaud et le liquide qui est froid, ce qui amorce sa circulation naturelle
• Maintient les conditions process optimals et aussi évite la surchauffe.
• La conception facilite l'accessibilité autant aux composants internes pour nettoyage et maintenance de façon régulière

Rebouilleur thermosiphon horizontal

• Se conçoit sans espace de vapeur qui se place au-dessus des tubes.
• L'équipement doit se placer plus bas que le niveau de liquide dans la partie au fond de la tour
• Ce faisant, la calandre se noie, immergeant les tubes ainsi qu'une partie de la canalisation pour le retour de l'hydrocarbure sous forme liquide.
• Le transfert adéquat de chaleur requiert que les ces tubes se localisent en dessous du niveau du liquide.
• Lors de l'alimentation de l'appareil en en vapeur d'eau, les vapeurs qui seraient produites retourne vers la tour pour en réchauffer le liquide retour à la tour.
• Le fonctionnement optimal requiert une immersion complète à 100%
• La hauteur minimale par rapport au niveau du liquide dans la tour est de -30cm
• Le facteur de circulation d'un thermosiphon bien conçu se situe entre 2 et 3x.

Rebouilleur thermosiphon vertical

• Se fixe verticalement près du côté des tours.
• Le liquide est chauffé sur le côté des tubes et la vapeur(ou le milieu de chauffe) du côté calandre.
• Amorce des circulations naturelles à l'aide de différence de densité qui se crée entre le liquide qui est chaud et le liquide qui est froid.
• Le liquide qui est chaud monte dans les tubes, tandis que le liquide plus froid a tendance à descendre, résultant ainsi un mouvement sans ajout de pompe externe.

Fonctionnement du côté vapeur du rebouilleur

• Le rebouilleur thermosiphon horizontal de type tubes en U implique un fluide de procédé, qui après échange thermique, sort par le haut.
• Le haut de la tête de passage reçoit le flux de vapeur qui circule dans les tubes faisant un U
• L'eau chaude passe dans le système situé au juste sous les éliminateurs de gouttelettes au dessus du garnissage
• Lors de la condensation, la chaleur est donné au côté calandre pour ensuite passé avec la solution.
• L'admission de vapeur détient un robinet-vanne à des fins de sectionnement fonctionnant en position ouverte.
• Un émetteur de niveau placé à l'extrémité vapeur/condensat communique à un régulateur, qui à son tour envoie un signal au robinet pour contrôler le niveau.
• Le condensat passe dans dans ce robinet et retourne par la suite au désaérateur.
• Les principaux points sont l'entrée de la vapeur, sa condensation, l'entassement du condensat de ainsi que son retour.

Réchauffeurs d'eau d'alimentation

• Servant à réchauffer l'eau d'alimentation de chaudière avant son arrivée à la section de l'économiseur venant du générateur à vapeur, se retrouvant à tous les postes de production utilisant les cycles de vapeur.
• Les puits thermométriques et désaérateurs se placent aux alentours des réchauffeurs à basse pression
• Les générateurs à vapeur et les pompes à eau se retrouvent aux alentours des réchauffeurs à haute pression.
• Les usines d'aujourd'hui optimisent leurs rendement en utilisant le réchauffement de l'eau qui est utilisé pour l'alimenter
• Par contre, ses usines utilisent moins d'étages au niveau du réchauffement comparer à une centrale
• Pour l'entrée d'eau, celle qui est utilisé pour l'alimentation entre à basse température dans les pompes qui sont utilisé dans les puits thermométriques
• À la sortie, les condensats sortent du côté calandre passant au retour vers le condenseur en utilisant des tuyaux de détentes.
• La vapeur à basse pression purge les turbine qui se condenser dans le côté calandre ou l'eau passe dans ses tubes
• Elle sont évacuées par des évents qui sont branché avec des surfaces condensés

Échangeurs de chaleur à plaques

• Comportent une variété de plaques métalliques qui sont compressées qui sont montés sur une structure, comprenant autant des joints que des fixations anti-fuite.
• Toutes et chacune des composantes sont ondulés comprenant autant des crêtes que des découpes qui crée des écoulements spécifiques
• La structure comprends des points d'entrées et sortie qui sont situé aux pourtours, comprenant des joints isolant qui retiennent les fluides et régissent la dispersion de l'écoulement
• Les structures ondulés favorisent la turbulence en changeant la vitesses et le taux de transfert thermique.
• Les joints d'étanchéités comprends des joints circonferentielle permettant les entrée et sorties tout en évitant le mélange
• La barre de soutient permet le placement vertical lors de leur installation

Avantages-Échangeurs de chaleur à plaques

• Les coefficients de transferts énergétiques sont hauts, diminuant les surfaces servant aux tâches requis(du tiers ou même de moitié)
• Les structures se démarques par des la faible quantité d'encrassement ce qui à pour effet de détections rapides quant aux fuites
• La compacité des structure à aussi pour effet d'avoir des plus petite rétentions de fluides combiné des volumes et des poids faibles.
• La malléabilité du nombre de plaques permet d'actualiser la capacités, même après l'installations initial, ce qui s'adapte bien à un bon nombres de besoins
• L'efficacité ainsi que le faible besoin en isolation permet des diminutions minimes de perte énergétiques favorisante une efficacité hors pair
• Parmis les inconvénients on retrouve des chutes de pressions élevés.

Inconvénients -Échangeurs de chaleur à plaques

• Des pressions limites ainsi qu'une température maximale qui est supportée par un équipements sont à prendre en considération
• Les matière toxiques qui génèrent des mélanges explosifs en contact avec l'air ne doivent être utiliser.
• Le fluides visqueux générant des particules ainsi que ceux qui sont fibreux sont à éviter
• La température influence ainsi les matériaux dans les joints et les plaques à elle seules
• Le facteur de frottement ainsi que les diamètres limités de passage rendent cette structure plus difficile à utilisé dans les systèmes de refroidissement
• À noter que leurs entretien sont des particularités qu'il faut considérer.

Refroidisseurs à air

• L'accès à toutes les industries du fait qu'il ne facilite l'eau , l'utilisation du refroidisseur à air permet de refroidir ou de condenser les fluides qui sont en rotation en passant par les conduits en forçant l'ai de les traverser.
• Les ailettes, qui sont fixées dans les tubes de l'échangeurs , sont soudées ou trempées pour optimiser et répondre à la tâche( la design dépends de l'application ).
• Les applications optimals se retrouvent dans les procédés à plus ou moins 50 degrés celcius.
• Refroidir avec de l' eau s' avère problèmatique dans les ces types situations du fais Qu les tubes sont fortement sujets à l'encrassement
• Utiliser par la force les refroidisseurs à air pour ensuite les combiner avec celui qui est équipé d'eau( souvent avantageux)
• Leur grand atout sont environnementales du fait qu'ils réduisent fortement les consommations d'eau et les régions géographique limités sont désavantager par le coup qu'ils représentent.

Refroidisseurs à tirage forcé et à tirage induit

• Les refroidisseurs à air se divisent en 2 grandes catégories( fonctionnement, placements) et chaque structure démontrent des atouts pouvant répondre aux besoins ou contraintes d'installation.
• Tirage induit( ventilateur monté et aspirant l'air )
• Tirage forcé( les ventilateurs se situent en dessous de la structure poussant l'air dans les dits conduits).
• La chambre anti-pression est un conduit permettant de diriger l'aire en rotation dans le structure
• La méthode induit( plus homogène)

Agencements de refroidissement à air

• Les refroidisseurs à air peuvent être disposés de diverses manières pour satisfaire les besoins spécifiques de l'installation et les les contraintes d'espace
• La terminologie pour décrire ces agencements aide à comprendre comment ces systèmes sont conçus et comment les systèmes
• Le refroidisseurs à tirage forcé peuvent comporté une nombre variable de ventilateur grâce auquel, les systèmes peuvent s'adapter aux contraintes.
• Il existe les configurations d' unités, batteries ainsi que les travées.

Régulation d'un refroidisseur à air

• Certaines méthodes permettent les vérifications
• Surtout en modifiant la vitesse en rotation, il est aussi possible d'arrêter complètement le ventilateur en question( dépend des requiert thermiques)
• L'unités peuvent fonctionner à pleine capacité autant qu'elle peut fonctionné avec les ventilateurs tout en ayant les contrôles d'aérage d'ouverts dans un contexte de température ambiantes très haussée.
• La poussières et tout débris peuvent nuire de loin aux performance ainsi qu'aux serpentins( le nettoyage doit être régulier)
• Le contrôle peut être à des ailles autant qu'en modifiant la vitesse.

Condenseurs suspendus

• La forme des faisceaux refroidis sont variable, dépendants des demandes ou des restrictions de l'application
• Les structures horizontales sont les plus utilisés, du fait qu'ils sont simple à travaillé lors de l'installation
• Les placements varient d'horizontal à vertical, en passant en structure qui sont en forme de A ou de V(compromis entre la performance et l'occupation de l'espace)
• Les collecteurs comme des tubes à aillettes maximisent les surfaces d'échanges , autant que les collecteurs permettent de bien récupérer, ou de distribuer les fluides.
• Un grand nombre bouchons filetés peut générer des bris, d'ou l'importance à redoubler d'attention lors des entretiens.

Tours à tirage naturel

• Divisé en 2 grandes catégories, elle ont recours aux principes de la circulation de l'air sans faire appel aux ventilateurs de type mécanique(elles usitentes de la densité de l'air, exploitant les conditions dans l'atmosphère dansl'but créer un coulant en direction des structure
• Atout pour les installations qui ont des besoins de grande fiabilité ainsi que dont les frais en lien avec les générateurs classiques est restreinte
• Ces opérations(tours) doivent répondre correctement aux conditions.
• les tours hyperboliques sont des grandes constructions qui atteignent 150 m de hauteur
• la tours dépendent fortement des vents et de certains endroits sans obstructions

Tours de refroidissement hyperboliques

• Ces équipements réfrigérants, sont des structures à l'allure de cheminées dimensionnées qui dépassent au moins 150 m de haut.
• L'écoulement en direction du haut est favorisé par les disparités de densité entre l'air qui refroidit ou qui réchauffe
• Sa fiable structure ainsi ces paramètres rendent ces composantes idéales dans la production en secteur d'électricité.
• Plus la charge thermique et l'humidité relatives sont élevées , moins de problèmes.
• Bâtit en base de béton renforcé d'acier
• 10 à 15 mètres inférieurs garnis pour l'optimisassions d'efforts

Fonctionnement des tours de refroidissement à tirage naturel

• Le débit d'air opère de façon minime ainsi la main d'oeuvre doit s' assurer que la production est respectée et conforme aux variables environnementales pour assurer leurs maintenances ainsi que fonctionnement optimale.
• La durabilité de de l'installation est de mise et les suivi requis sont de mises pour prolonger et consolider le tout
• L'ensemble de ces processus demande une rigueur quant au débit de l'eau et l'ensemble des équipement
• Niveau du bassin( tout débordement est à éviter)
• Qualité de l'eau(pour ainsi éviter la proliférations biologiques

Tours de refroidissement à tirage mécanique

• Elles se composent d'un nombre de ventilateurs requis pour dé-watté des quantité énorme d'air à chaque point à l'interne des structures
• Les catégories( tirage forcé et tirage induit).
• Cette méthodes apporte un contrôle plus précis des performances contrairement au tirages naturels
• S'assurer ,lorsque la tour est située, qu'elle ne nuit pas à la bonne diffusion et qu'elle optimisse la rediffusion ainsi que le bon fonctionnement de celle-ci.
• À placer plus haut que les condensateurs pour prévenir les eaux stagnantes

Tours de refroidissement à tirage forcé

• Ventilateur, canalisation en plus d'un bassin.
• Les ventilateurs à la base font entré l'air en rotation dans le matériels de remplissage
• L'efficience permet ainsi une meilleure ventilation couplé de des espace accrues ainsi que des contraintes de faibles température pour prévenir le givrage.

Tours de refroidissement à tirage induit

• Implantation des ventilateurs qui sont situés au pinacle, qui aspirent l'eau en sens opposée
• Le transfert résultant est amélioré du fait que l'eau froide transite avec l'air qui lui est plus sec
• Le ventiloo vers la hausse qui permet une efficacité supérieur.
• Une meilleure structure pour la ventilation par contre ses composantes sont placé à des endroits complexes.

Tours à écoulement à contre-courant à tirage induit

• Ce procédé comprends l'air ainsi que l'eau qui tourne en directions opposées
• Nécessite au minimum que les équipement aient de larges moteur électrique vu la trajets sinueuses utilisée par l'air en rotation dans structure
• L'eau s'amorce et est diffusée par divers outils ainsi qu'un certains nombre de buses qui fournissent une bonne répartition et le garnissage comprends des lattes qui proviennent du bois ou en version PVC qui aide à l'optimisations du transfert.

Tours à écoulement transversal et à tirage induit

• Débit horizontal à l'opposé des chutes à la verticale.
• Un grand nombre d'atouts comparer aux tours conventionnels( résistance du débit,longueur de la trajectoire...)
• La structure peut varié et offre des options quant aux refroidissement des besoin lors ces opérations
• le moteur qui tourne aspire l'air à travers l'équipement de remplissage.