II.3.Généralité sur les
échangeurs :
Les échangeurs de chaleur ont été
utilisés dans diverses industries pour un large éventail
d'applications. Certaines de ces applications peuvent être
trouvées dans le secteur de chauffage, domaine de climatisation,
production d'électricité, récupérations de la
chaleur perdue, et traitement des produits chimiques...etc. [9]
II.3.1.Définition :
Les échangeurs de chaleur sont des appareils
permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des
températures différentes. Dans la plupart des cas, les deux
fluides ne sont pas en contact, et le transfert s'effectue à travers une
surface d'échange. Au sein de la paroi séparatrice, le
mécanisme de transmission de la chaleur est la conduction, et sur
chacune des deux surfaces de contact avec les fluides, ce sont presque toujours
les phénomènes de convection qui prédominent.
[9]
II.3.2.Les Modes de fonctionnement des échangeurs
:
Une classification des échangeurs peut être
établie d'après le sens relatif de l'écoulement des deux
fluides. [6]
- À courant parallèle : les deux fluides
sont disposés parallèlement et vont dans le même sens.
-À contre courant : idem, mais les courants vont dans des sens
opposés.
-À courant croisé : les deux fluides sont
positionnés perpendiculairement.
- À tête d'épingle : un des deux
fluides fait un demi-tour dans un conduit plus large, que le deuxième
fluide traverse. Cette configuration est comparable à un
échangeur à courant parallèle sur la moitié de la
longueur, et pour l'autre moitié à un échangeur à
contre courant.
- A contact direct ou à mélange : les deux
fluides peuvent être mis en contact comme c'est le cas dans les tours de
refroidissement, des buses projetant de l'eau chaude sont disposées sur
les parois intérieures de la tour, l'air extérieur admis par le
bas s'échauffe et du fait de son changement de densité monte de
bas en haut, permettant ainsi de refroidir l'eau. [10]
II.3.3.Les types d'échangeurs:
+ Echangeurs à fluide séparés
:
Nous ne considérons ici que les
échangeurs à fluides séparés, ou le transfert de
chaleur s'effectue à travers une paroi matérielle, ce qui exclut
donc les échangeurs dits « à contact direct >>. Dans
ces appareils dominent deux grandes familles : les échangeurs tubulaires
et les échangeurs à plaques. [10]
· Echangeurs tubulaires :
Comme leur nom l'indique, les échangeurs
tubulaires sont constitués de tubes dont la paroi forme la surface
d'échange. Ils comportent [10]
-soit un tube unique (serpentin) : dans lequel le tube
est placé à l'intérieur d'un réservoir et a
généralement la forme d'un serpentin [11]
-soit deux tubes coaxiaux (échangeurs bitubes) :
[11]
L'un des fluides circule dans le tube central et
l'autre dans la couronne comprise entre les deux tubes. La circulation des
fluides peut s'effectuer soit dans le même sens (on parle alors
d'échangeurs "co-courant ") soit en sens inverse, dans ce cas
l'échangeur est dit à "contre courant>>. Le tube
intérieur peut être muni d'ailettes pour augmenter la surface
d'échange et créer des turbulences de manière à
augmenter l'efficacité.
-soit un faisceau de tubes enfermé dans une
enveloppe appelée calendre : [10]
Ces échangeurs sont les plut
fréquemment utilisés dans l'industrie. Il peut être
fabriqués à partir de nombreux matériaux et sont
utilisables pratiquement sans limite de température et de
pression.
Il existe de nombreux types d'échangeurs à
tubes et calandre (à tête flottante, à tubes en U....).
[12]
· Échangeurs à plaques:
[10]
des canaux plats ou la circulation peut être
soit diagonale soit latérale. Il y a évidemment alternance du
fluide froid et du fluide chaud d'un canal au suivant. Globalement, la
distribution des fluides entre les différents canaux se fait en U, en Z
ou selon un schéma multi passes.
Plusieurs technologies sont en concurrence. La
principale, et la plus ancienne, est celle des échangeurs à
plaques avec joints. Ces échangeurs ne peuvent être
utilisés que pour des pressions maximales de 30 bars et des
températures maximales de 200 degrés Celsius. D'autres
technologies plus récentes permettent de remédier aux
inconvénients de L'existence de joints, comme les échangeurs
à plaques soudées
Il existe d'autres échangeurs à plaques
dont la diffusion est moins importante tels que les échangeurs à
spirales et les échangeurs à plaques brasées.
Reste encore les échangeurs à plaques
serties qui sont constitués d'un assemblage de tôles, Planes
parallèles entre lesquelles sont disposées des
ailettes.
+ Autres types d'échangeurs:
· Les échangeurs en graphite : ces
échangeurs sont le plus souvent utilises à des pressions de 6
bars et des températures 70°c pour véhiculer des fluides
corrosifs (acides chlorhydrique, sulfurique, phosphorique...) exception faite
des oxydants puissants. [13]
Ces échangeurs se prêtent peu au nettoyage
mécanique, mais les procédés de nettoyage chimique et
à eau sous pression sont le plus souvent utilisés.
· Les échangeurs en verre: la
conductibilité thermique du verre (1.1w/m°c) est très
inférieure à celle des aciers ; ce matériau trouve
certaines de ses applications sur des gaz, ou la résistance thermique
essentielle se trouve coté fluide gazeux. L'échangeur en verre
possède une très bonne tenue à la corrosion sulfurique, ce
qui permet son utilisation industrielle dans les problèmes de
récupération sur des gaz à des températures
inferieures à la température de condensation acide.
[12]
initial après un simple lavage. Par contre la
jonction tubes de verre-plaque tubulaire est technologiquement le point faible
de cet échangeur. [12]
· Les échangeurs en matière
plastique: Ce matériau présente une bonne tenue à la
corrosion mais également un bon comportement vis-à-vis des agents
encrassant.
Différents type d'échangeurs en plastique
sont commercialisés: -échangeurs à gaines en
matière plastique;
-échangeurs à plaques en matière
plastique;
-échangeurs à tubes en matière
plastique.
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