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Etude et analyse paramétrique des echangeurs de chaleur dans une machine tritherme - cas du condenseur-

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par Sofiane Toureche
Université Mentouri de Constantine - Magister 2008
  

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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

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