II.2.2.A.3 Condenseurs multitubulaires :
Ils sont l'aboutissement logique des condenseurs à
double tube et à contre courant. Afin d'évité de mettre en
parallèle de nombreux éléments de condenseur double tube,
ce qui à pour inconvénient de multiplier les joints, on a
groupé en parallèle à l'intérieur d'une virole de
grand diamètre tout les tubes de circulation d'eau. La condensation du
fluide se fait sur l'extérieur des tubes d'eau, et la partie
inférieure de la virole peut servir de réserve de liquide
condensé.
Nous pouvons les trouvées sous deux formes bien distinctes
:
Ø Condenseurs multitubulaires horizontaux ; Ø
Condenseurs multitubulaires verticaux ;
II.2.2 .A. 3. a. Condenseurs multitubulaires horizontaux :
v Les condenseurs horizontaux à tubes droite :
Cette configuration, illustrée dans la (Figure
II.08) est souvent utilisée avec la haute pression, ou avec les
vapeurs corrosives.
Ce condenseur est constitué d'un passe coté
calandre, et un passe coté tube.
Figure II.08 : Condenseur multitubulaire
horizontale
Divers constituants d'un Condenseur multitubulaire horizontale
sont représentés dans
La (Figure II.09)
Figure II.09 - Divers constituants d'un
Condenseur multitubulaire horizontale
Ø Boîte du condenseur :
C'est l'organe qui distribue ou recueille le fluide aux
extrémités des tubes. Sauf pour le tube en U, il y a une
boîte à chaque extrémité de l'échangeur.
La disposition des boîtes dépend non seulement du
type choisi, mais aussi du nombre de passes (Figure II.10). La
liaison cloison-plaque tubulaire est en général assurée
par un joint. Les boîtes sont le plus souvent réalisées
avec un matériau peu différent de celui des tubes.
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Figure II.10 : Configuration des boîtes
de distribution
Ø Calandre (ou virole) .
·
C'est l'enveloppe métallique cylindrique entourant le
faisceau tubulaire. Son matériau doit être compatible avec le
fluide utilisé. Les matériaux les plus courants sont les aciers
ordinaires, les aciers inoxydables, le cuivre. Il semble que la limite
technologique des calandres se trouve aux alentours d'un diamètre de 2
m.
Certains très gros condenseurs sous vides sont
réalisés avec une calandre
parallélépipédique (solution d'ailleurs favorable pour
limiter les pertes de pression en entrée).
Ø Plaques tubulaires .
·
Ce sont des plaques percées supportant les tubes
à leurs extrémités. Leurs épaisseur (5 à 10
cm) est calculée en fonction de la différence de pression entre
le fluide dans la calandre et le fluide dans les boîtes d'une part, des
contraintes dues aux différences de dilatation entre les tubes et la
calandre d'autre part.
Les plaques tubulaires peuvent être en acier ordinaire, en
acier spécial massif. Un plaquage, en acier inoxydable par exemple, peut
se justifier dans le cas de plaques tubulaires déjà assez
épaisses.
Les tubes peuvent être fixés à la plaque
tubulaire par dudgeonnage ou par soudure, quelque fois aussi par dudgeonnage
allié à une soudure qui sert alors simplement à assurer
l'étanchéité.
Les plaques tubulaires sont les parties délicates
des Condenseurs. Les interstices entre tubes et plaques sont des lieux
privilégiés de corrosion (la concentration en produit agressif y
est parfois très supérieure à celle mesurée dans
les autres parties du condenseur, car il y a stagnation du fluide). Par
ailleurs, des dilatations différentielles excessives peuvent faire
céder les dudgeonnages ou les soudures.
Ø Tubes :
Ce sont généralement des tubes normalisés
dont le diamètre annoncé correspond exactement au diamètre
extérieur (à la différence des tubes utilisés en
tuyauterie).
Tableau II.04 : Exemple de tubes courants :
[56]
|
Épaisseur
|
Diamètre extérieur
(mm)
|
Diamètre intérieur
(mm)
|
Surface extérieure
(m2
/m)
|
|
Norme BWG (1)
|
(mm)
|
|
BWG 14
|
2,11
|
19,05 (3/4 in)
|
14,83
|
0,0598
|
|
BWG 12
|
2,77
|
25,40 (1 in)
|
19,86
|
0,0798
|
|
(1) BWG : Birming-ham Wire
Gaze
|
Ces tubes sont généralement de longueur standard :
2,44 ; 3,05 ; 3,66 ; 4,88 ou 6,10 m.
Le démontage du faisceau de tubes est de plus en plus
difficile au fur et à mesure que sa longueur s'accroît
(problème de rigidité du faisceau). Pour tous les condenseurs
démontables, il convient de laisser un espace libre suffisant dans l'axe
du condenseur pour permettre la sortie du faisceau de tubes.
Les matériaux utilisés dépendent des fluides
choisis ; les plus courants sont les aciers ordinaires, les aciers inoxydables,
le cuivre, le laiton, les cupronickels.
Deux dispositions de tubes sont possibles : le pas triangulaire
et le pas carré (Figure II.11 ).
Figure II.11 : Pas des tubes
La disposition en pas carré offre une plus grande
facilité de nettoyage (toute la surface extérieure des tubes est
accessible par un jet d'eau sous pression ou par un instrument de nettoyage).
La disposition en pas triangulaire est plus compacte, donc plus
économique. Les pas standard les plus courants sont 0,024 ; 0,025 ;
0,030 ; 0,032 et 0,038 m (15/16 ; 1 ; 19/16 ; 5/4 et 3/2 in). Le rapport du pas
au diamètre extérieur des tubes sera au minimum de 1,25.
Ø Chicanes :
Elles ont pour rôle d'augmenter la vitesse du fluide
dans la calandre, et la rigidité du faisceau. Dans le cas de
condensation à l'intérieur des tubes, il est intéressant
d'augmenter la vitesse du fluide coté calandre pour améliorer le
coefficient d'échange. La vitesse est d'autant plus élevée
que les chicanes sont rapprochées pour l'écoulement transversal
au faisceau de tubes (entre deux chicanes) et qu'elles ont une ouverture faible
pour l'écoulement parallèle au faisceau de tubes (au passage de
la chicane).
Par ailleurs, les chicanes sont nécessaires pour augmenter
la rigidité du faisceau. Le code TEMA donne le
tableau suivant de longueur maximale non supportée :
Tableau II.05 : Désignation des
Condenseurs TEMA [56]
|
Diamètre extérieur du
tube
(mm)
|
Longueur maximale non
supportée
(m)
|
|
15,9
|
1,231
|
|
19,0
|
1,524
|
|
25,4
|
1,880
|
|
31,7
|
2,235
|
|
38,1
|
2,540
|
|
50,8
|
3,175
|
|
Une chicane ne couvrant pas la totalité des tubes (selon
le cas 60, 70, 80 % du faisceau), on voit
|
|
que, pour un tube de 19 mm de diamètre extérieur,
la distance maximale entre deux chicanes consécutives est de 1,524/2 =
0,762 m.
|
Dans le cas de l'extrémité d'un tube en U, la
longueur courbe est considérée comme équivalente à
la distance entre les axes des deux branches du U.
Pour la condensation d'une vapeur, la vitesse de circulation
à peu d'importance et l'espacement des chicanes est exclusivement
déterminée par ce critère de longueur maximale non
supportée.
Le jeu entre tubes et chicanes ainsi que le jeu entre chicanes et
virole sont réglementés par le code
TEMA.
On utilise parfois des chicanes pleines dites de
protection thermique destinées à protéger la plaque
tubulaire contre des différences de températures excessives
préjudiciables à sa tenue mécanique ; on les appelle aussi
contre-plaques tubulaires.
Une entaille de vidange, qui doit être assez
petite pour ne pas trop perturber l'écoulement,
est
généralement prévue à la partie
inférieure de la chicane afin de permettre la vidange du Condenseur.
Les chicanes sont de même matériau que la
calandre ; elles peuvent être de plusieurs types : chicanes
classiques, ou à barreaux (rod baffle dans la
littérature anglo-saxonne) dont le développement et l'utilisation
sont relativement récents. Dans ce dernier cas, les tubes sont tenus
dans la calandre par des grilles de barreaux, alternativement de
barreaux horizontaux puis verticaux.
Les chicanes à barreaux ont été
imaginées pour répondre à deux préoccupations
essentielles des constructeurs et utilisateurs des condenseurs à tubes
et calandre :
· supprimer ou tout au moins réduire les
problèmes de vibrations des tubes quelquefois induites par
l'écoulement du fluide dans la calandre ;
· améliorer les performances thermo hydrauliques
du fluide s'écoulant dans la calandre (augmenter le coefficient
d'échange thermique et réduire les pertes de pression), en
remplaçant l'écoulement transversal classique du fluide par
rapport aux tubes par un écoulement longitudinal.
Ø Tirants et entretoises .
·
Ce sont des dispositifs ou équivalents assurant la
liaison du système de chicanes, qui ont pour objet de maintenir les
chicanes et les plaques supports solidement en place. Les tirants et
entretoises doivent être du même matériau que la
calandre.
Ø Déflecteurs longitudinaux
.
·
Entre les tubes périphériques et la calandre
subsiste nécessairement un vide non négligeable. Une part
importante du fluide peut alors contourner le faisceau (phénomène
de by-pass) et ne pas participer à l'échange de chaleur, ce que
l'on atténue en utilisant des déflecteurs longitudinaux. Ceux-ci
peuvent aussi servir au guidage du faisceau lors du montage.
Ø Déflecteur d'entrée
.
·
Il sert à protéger, dans certains cas, le faisceau
contre l'impact du fluide entrant ; il est nécessaire pour :
· Les vapeurs saturées ;
· Les mélanges diphasiques ;
· Tout fluide homogène non corrosif, non abrasif
pour lequel le produit p v 2 dépasse
2 250 kg / (m · s2) (avec (p ) masse
volumique en kg/m3 et ( v) vitesse en m/s) ;
· Tout autre fluide tel que le produit p
v2 dépasse 750 kg / (m · s2). Ø
Évents, vidange .
·
Dans la conception d'un Condenseur, il faut s'assurer qu'aucune
poche de gaz ne peut stagner et ainsi diminuer la surface efficace. Il est donc
nécessaire de prévoir des piquages d'évents et de
vidange
v Les condenseurs horizontaux à tubes en U :
A fin de supprimer une plaque de fond, certaines condenseurs
à faisceaux en tube a ailettes extrudées sont
réalisés comme représenté (Figure
II.12)
Figure II.12 : Condenseur multitubulaire en U
Le faisceau de condensation est constitué de tubes
cintrés en épingle et formant chacun U, les deux
extrémités libres sont mandrinées dans la plaque de fond
sur laquelle est soudée la virole en acier obturée à
l'arrière du condenseur par un fond embouti également en acier.
Le fond cloisonné, comporte les tubulures d'entée et de sortie
d'eau assurant par sont cloisonnement à l'eau en circulation le nombre
de passes désirées sur le faisceau.
Dans cette disposition et pour les raisons exposées
ci-dessus nous obtenons un encombrement beaucoup plus faible à puissance
égale qu'avec un condenseur à faisceau droit à tubes
lisses.
L'entrée de fluide et la sortie du liquide condensé
sont alternées sur la virole. II.2.2 .A. 3 .b. Condenseurs
multitubulaires verticaux :
Ils sont pratiquement identiques dans leurs conceptions aux
condenseurs multitubulaires horizontaux à tubes lisses :
La calandre, les plaques de fond et les faisceaux tubulaires
mais les fonds chicanés ont disparu. L'eau descend verticalement dans
tous les tubes en parallèle. Si tous les tubes étaient pleins
d'eau il nous faudrait avoir un débit considérable pour obtenir
une vitesse d'eau comprise entre les limites que nous nous sommes fixées
et ce, afin d'avoir un coefficient de transmission comparable à celui
des condenseurs précédents.
Or, il se produit naturellement, lorsque l'on alimente un tube
vertical par une bâche d'eau contenant
qu'une faible hauteur d'eau. Un
phénomène tourbillonnaire appelé vortex, qui donne a l'eau
un
mouvement de giration très rapide, et qui lui fait
suivre la paroi interne du tube avec un mouvement hélicoïdale sans
remplir complètement celui-ci. Cette remarquable propriété
de la circulation des liquides est utilisée dans ce type de condenseur
afin d'avoir une vitesse élevé de circulation sous un faible
débit.
L'intérieur des tubes n'étant pas rempli d'eau,
ils pourront alors servir de cheminée la circulation d'air, le
condenseur étant toujours disposé à l'extérieur du
bâtiment. L'amorçage du mouvement de giration peut être
facilité par la mise en place à l'extrémité
supérieure des tubes d'eau de tôles roulées en
hélice ou de pièces en céramique. Le vortex ne pouvant
efficacement se produit que dans des tubes de diamètre assez grand. Ce
type de condenseur est surtout utilisé pour des machines à
ammoniac.
Au parti supérieur du faisceau tubulaire se trouve le
dispositif d'alimentation en eau, qui se compose d'une bâche
alimentée généralement par un robinet à
flotteur.
Figure II.13 : Condenseurs à tubes
verticaux
| 
