Vibrations

1.1 - Classification : différents types d’encrassement
1.2 - Apparition et développement de l’encrassement
1.3 - Dimensionnement des échangeurs avec prise en compte de l’encrassement
1.4 - Prévention de l’encrassement pendant les phases de fonctionnement

Tableau 1 Tableau 2

2 - Corrosion

2.1 - Processus de dégradation
2.2 - Différents types de corrosion
2.3 - Protection contre la corrosion

3 - Vibrations

3.1 - Caractéristiques vibratoires des tubes
3.2 - Vibrations induites par le fluide et couplage fluide / tubes
3.3 - Recommandations

4 - Aspects réglementaires

4.1 - Application aux échangeurs de chaleur de la réglementation sur les appareils à pression

Tableau 3 Tableau 4
4.2 - Réglementation en matière de construction d’échangeur de chaleur
4.3 - Règles de qualification ou d’essais des échangeurs de chaleur. Normes européennes

Présentation

Auteur(s)

André BONTEMPS : Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Alain GARRIGUE : Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Charles GOUBIER : Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Jacques HUETZ : Directeur de Recherche émérite au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), - Professeur à l’École Centrale de Paris
Christophe MARVILLET : Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
Pierre MERCIER : Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
Roland VIDIL : Centre d’Études Nucléaires de Grenoble.

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INTRODUCTION

Tous ces auteurs font partie du Groupement pour la recherche sur les Échangeurs thermiques (GRETh).

Les principaux problèmes de fonctionnement rencontrés par les utilisateurs d’échangeur de chaleur ont trait aux phénomènes d’encrassement, de corrosion, de vibrations et de tenue mécanique.

L’encrassement et la corrosion restent les phénomènes les moins compris de l’industrie ; ils se traduisent par :

un surdimensionnement des appareils dans les bureaux d’études ;
une dépense d’énergie supplémentaire ;
le remplacement des appareils corrodés ;
des coûts d’arrêt des installations pour démontage et nettoyage.

Le lecteur trouvera une description générale des divers phénomènes rencontrés et pourra se reporter pour plus de détails à une littérature spécialisée (cf. Pour en savoir plus ).

Les phénomènes vibratoires doivent également être pris en compte dans le dimensionnement des échangeurs au même titre que les transferts de chaleur ou les pertes de charge. Une méthodologie permettant d’évaluer les vibrations induites par le fluide est détaillée dans le présent article.

Enfin, les problèmes de tenue mécanique sont, pour les géométries les plus classiques, traités dans divers textes réglementaires décrits succinctement en fin de l’article, de même qu’une normalisation européenne en matière d’essais qui est en train d’émerger.

L’ensemble Échangeurs de chaleur fait l’objet de plusieurs articles :

Échangeurs de chaleur- Définitions et architecture générale Généralités
Échangeurs de chaleur- Description des échangeurs Description des échangeurs
Échangeurs de chaleur- Dimensionnement thermique Dimensionnement thermique des échangeurs
Échangeurs de chaleur- Intensification des échanges thermiques Intensification des échanges thermiques
[B 2 344] Problèmes de fonctionnement et aspects réglementaires

ainsi que d’un tableau de notations et symboles en tête et d’une documentation en fin, communs à cet ensemble.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-b2344

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3. Vibrations

Les vibrations constituent un paramètre essentiel à prendre en compte dans la conception d’un échangeur, au même titre que les transferts de chaleur ou les pertes de charge. Outre les aspects classiques (chocs, spectre de vibrations) issus du milieu extérieur, les échangeurs induisent leurs propres vibrations sous l’effet du fluide qui les parcourt. Ce paragraphe traite essentiellement des efforts dynamiques dus au fluide et à leur répercussion sur les tubes dans un échangeur de type tubes et calandre ; cet aspect vibratoire est peu ou pas rencontré dans les autres échangeurs.

Suivant la vitesse d’écoulement du fluide côté calandre, les tubes qui vibrent à leurs fréquences propres peuvent se déplacer suffisamment pour entrer en collision. Il s’ensuit un phénomène de fatigue pouvant aller jusqu’à la fuite ou la rupture.

L’essentiel du travail consiste à évaluer les paramètres intrinsèques aux tubes (fréquences propres, amortissement), les caractéristiques hydrauliques du fluide côté calandre, et à analyser le couplage fluide/ tubes.

3.1 Caractéristiques vibratoires des tubes

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3.1.1 Fréquences de résonance

Les principales configurations de tubes rencontrées sont : les tubes droits et les tubes coudés en U. Ces tubes sont considérés comme encastrés à chacune de leurs extrémités au niveau des plaques ; ils peuvent s’appuyer sur des chicanes.

Dans le cas d’un tube droit supporté ou encastré aux extrémités, les fréquences de résonance sont bien connues :

avec :

E (N /m²)
:
module d’Young du matériau du tube

F_n (Hz)
:
n^ieme fréquence

I (m⁴)
:
inertie du tube

L (m)
:
longueur...