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RÉSUMÉ
Cet article décrit les principales technologies industrielles aboutissant à la réalisation d'un échangeur de chaleur. Les divers critères de classement des échangeurs sont technologiques, par procédé et mode de transfert de chaleur, par fonction ou par matériau constituant les parois. Un tableau donne les principaux types d'échangeurs en fonction de ces critères. Les types d'échangeurs les plus utilisés (à tubes, à plaques, etc.) sont détaillés en précisant les applications pour lesquelles ils sont les mieux adaptés.
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Zoé MINVIELLE : CEA Grenoble
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Nadia CANEY : Université Joseph Fourier, Laboratoire LEGI
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Patrice CLÉMENT : CEA Grenoble
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Philippe BANDELIER : CEA Grenoble
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Philippe MARTY : Université Joseph Fourier, Laboratoire LEGI
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Jean Antoine GRUSS : CEA Grenoble
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Claude ROUSSEL : Ex directeur R Alfa Laval Vicarb
INTRODUCTION
Dans les sociétés industrielles, l'échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l'énergie. Une grande part (90 %) de l'énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l'énergie thermique de ces procédés. On les utilise principalement dans les secteurs de l'industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire, production d'énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique, marine), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.). Le choix d'un échangeur de chaleur pour une application donnée dépend de nombreux paramètres : domaine de température et de pression des fluides, propriétés physiques et agressivité de ces fluides, maintenance et encombrement. Il est évident que le fait de disposer d'un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d'énergie consommée des procédés.
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MOTS-CLÉS
Récupérateur Régénérateur Chauffage Refroidissement génie des procédés Echangeur tubes et calandre Echangeur à plaques
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3. Échangeurs à plaques
Le concept des échangeurs à plaques date du début du XX e siècle ; ces échangeurs ont été étudiés à l'origine pour répondre aux besoins de l'industrie laitière, puis utilisés par la suite dans diverses branches de l'industrie (chimie, nucléaire, etc.). On regroupe sous ce vocable différentes technologies dont certaines sont d'un développement assez récent. On distingue suivant la géométrie de canal utilisée les échangeurs à surface primaire et les échangeurs à surface secondaire.
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Parmi les échangeurs à surface primaire, le type le plus commun est l'échangeur à plaques et joints, dont les applications sont limitées par la pression maximale de service et par la pression différentielle entre les deux fluides. On peut réaliser industriellement aujourd'hui des échangeurs fonctionnant à des pressions allant jusqu'à 2,5 MPa ; la température maximale de service est limitée par la nature des joints. On admet, comme limite supérieure d'utilisation des joints standards, une valeur de l'ordre de 150 oC et de 230 oC pour les joints spéciaux. La caractéristique principale des échangeurs à plaques et joints, outre leur compacité, est leur capacité à être démontés pour nettoyage ou pour être modifiés en ajoutant ou enlevant des plaques.
Les échangeurs avec plaques soudées ou brasées permettent d'utiliser ces surfaces d'échanges primaires à des niveaux de température et de pression plus élevés que les échangeurs à plaques et joints. À la différence des échangeurs à plaques et joints, certains échangeurs à plaques soudées mettent en présence des fluides un matériau unique, ce qui permet une gamme plus large de fluides pouvant être véhiculés dans ces échangeurs. Suivant leur conception, les fluides chargés ou encrassants sont à utiliser avec précaution.
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Les échangeurs à surface secondaire utilisent des ailettes plissées ou ondulées qui sont insérées entre les plaques. Pour des applications sur l'air atmosphérique, ces échangeurs sont fabriqués en tôlerie légère alors que, pour des applications cryogéniques ou aéronautiques, les matériaux utilisés sont l'aluminium ou l'acier inoxydable, l'assemblage de l'échangeur se faisant au moyen d'une technique...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CEVALLOS (J.G.), BERGLES (A.E.), BAR-COHEN (A.), RODGERS (P.), GUPTA (S.K.) - Polymer heat exchangers – History, opportunities, and challenges. - Heat Transfert Engineering, 33(13), p. 1075-1093 (2012).
-
(2) - ZAHEED (L.), JACHUCK (R.J.J.) - Review of polymer compact heat exchangers, with special emphasis on a polymer film unit. - Applied Thermal Engineering, 24, p. 2323-2358 (2004).
-
(3) - MEHENDALE (S.S.), JACOBI (A.M.), SHAH (R.K.) - Fluid flow and heat transfer at micro- and meso-scales with applications to heat exchanger design. - Applied Mechanics Review, vol. 53, p. 175-193 (2000).
-
(4) - KANDLIKAR (S.G.), GRANDE (W.J.) - Evolution of microchannel flow passages – Thermohydraulic performance and fabrication technology. - Heat Transfer Eng., 25(1), p. 3-17 (2002).
-
(5) - LIN (L.), PISANO (A.P.) - Bubble forming on a micro line heater, micromechanical sensors, actuators and systems. - ASME DSC, 32, p. 147-164 (1991).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Standard of the tubular exchanger manufacturer association, 9e éd. - TEMA - 2007
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Fabricants d'échangeurs
Acova http://www.acova.fr
ASET http://www.aset-exchanger.com
Alfa Laval Vicarb http://www.alfalaval.com
Atherm http://www.atherm.com
Barriquand http://www.barriquand.com
Brown Fintube http://www.brownfintube.com
BTT Batignolles Technologies Thermiques (filiale du groupe GEA) http://www.btt-nantes.com
Calor http://www.calor.com
Carrier http://www.carrier.fr
Cecla Metal Process http://www.cecla-ahtt.fr
Cepic http://www.cepic-carbomeca.com
Chaffoteaux et Maury http://www.chaffoteaux-maury.com
CIAT Cie Industrielle d'Applications Thermiques http://www.ciat.fr
Date http://www.date.fr
Delta Air plus http://www.deltaairplus.fr/fr/gamme-echangeurs
Elm...
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