Le
dimensionnement détaillé des échangeurs de chaleur fait appel
aujourd'hui à des logiciels spécialisés. Ceux-ci sont largement
diffusés auprès des sociétés d'ingéniérie pour ce qui concerne les
échangeurs standards à tubes et calandres. Pour les échangeurs non
standards (platulaires, blocs graphites, ...) ils sont la propriété des
fournisseurs d'équipements. L'utilisateur qui consulte un fournisseur doit définir ses besoins, ses
préférences et ses contraintes dans un cahier des charges qui est
communément nommé
réquisition.
Profil de température et charge thermique
La première tâche est de définir
le profil de température et la charge thermique de l'échangeur.
Différentes situations peuvent se présenter:
- - les débits des
fluides chauds et froids sont fixés par le procédé et la température de
sortie de l'un d'eux constitue l'objectif à atteindre;
- la
chaleur à transférer est la chaleur nécessaire pour atteindre
l'objectif de température et la température de sortie de l'autre fluide
résulte du bilan thermique.
- - les débits des fluides chauds et froids sont fixés par le procédé et la
quantité maximum de chaleur doit être transférée;
- c'est typiquement le cas des récupérateurs de chaleur. La quantité de chaleur transférable est telle que:
- - soit la température de sortie du fluide froid devient égale à la température d'entrée du fluide chaud
- - soit la température de sortie du fluide chaud devient égale à la température d'entrée du fluide froid
- Dans
les deux cas ceci n'est réalisable qu'avec une surface d'échange
infinie. Il convient donc de définir un taux de récupération
raisonnable. Pour cela il faut garder à l'esprit que si S est la
surface d'échange nécessaire pour récupérer 63% de la chaleur maximum
récupérable, il faudra 2xS pour en récupérer 87%, 3xS pour 95%, 4xS
pour 98%. Les températures de sortie des deux fluides seront ensuite
déterminées par bilan thermique.
- - le débit et les températures d'un seul des fluides est fixé;
- c'est
typiquement le cas des échangeurs utilisant un fluide utilité (vapeur,
eau de refroidissement, air, ...). La température d'entrée du fluide
utilité est généralement connue, et il convient de faire une hypothèse
sur sa température de sortie et d'en déduire le débit. Typiquement on
supposera que la température de sortie de la vapeur correspond à sa
température de condensation à sa pression d'utilisation, ou que la
température de sortie de l'eau de refroidissement sera au maximum de
45°C pour limiter le dépot de tartre. Le débit de fluide utilité se
déduira alors du bilan thermique.
Le
profil de températures ne se limite pas toujours aux seules entrées et
sorties. Si dans le cas où aucun changement de phase ne se produit (ni
vaporisation, ni condensation), les températures d'entrées et sorties
sont suffisantes (les profils de température dans l'échangeur sont
linéaires et faciles à extrapoler), en cas de vaporisation de liquide
ou condensation de
gaz, une courbe donnant la température du fluide en fonction de la
quantité de chaleur échangée est indispensable.
Les changement de
phase sont très sensibles à la pression. La pression au sein d'un
échangeur n'est pas constante; la perte de charge occasionnée par
l'écoulement des fluides fait que l'échange thermique ne se produit pas
à pression constante. Les profils de température doivent en tenir
compte et être tracés pour les pressions extrêmes pouvant être
rencontées.
En pratique les vaporisation ou condensation de corps
purs sont faciles à modèliser. Il suffit souvent d'indiquer la
chaleur de changement de phase et la capacité calorifique des phases
liquide et gazeuse. Le calculateur saura reconstituer le profil.
Perte de charge admissible
La
qualité de l'échange thermique est grandement améliorée par les
turbulences créées au voisinage des surfaces d'échange. Les
vitesses d'écoulement élevées, les chicanes, améliorent le
transfert thermique mais créent de la perte de charge sur le fluide.
La
perte de charge que l'utilisateur peut consentir permet de faire des
choix de conception (diamètres de tubes, nombre de passes, ...)
Matériaux de construction
Les
matériaux de construction utilisables sont variés, leurs résistance à
la corrosion et leurs coûts sont très différents (acier carbone, inox,
titane, tantale, matière plastique, ...). L'utilisateur connait souvent
mieux que quiconque les matériaux résistant le mieux dans les fluides
qu'il exploite. Il est le seul à pouvoir accepter un compromis entre
coût d'achat et durée de vie. C'est donc à lui d'indiquer les matériaux
qu'il souhaite voir utiliser ou ceux qui sont prohibés. Penser aussi
aux joints d'étanchéité.
Conditions de calcul et code de construction
La
pression et la température de calcul sont les conditions extrêmes
auxquelles l'équipement doit pouvoir résister. Le couple
pression/température de calcul de l'équipement tout comme le code de
calcul conditionne les épaisseurs des paroies et d'autres détails de
construction (soufflet de dilatation, type de brides ...). Si les
conditions de calcul tiennent compte de situations exceptionnelles,
elles peuvent être éloignées des conditions normales de fonctionnement. Il est donc important de les préciser.
La
règlementation du lieu d'utilisation de l'équipement s'applique quelque
soit son lieu de fabrication. Certaines règlementations
nationales n'imposent pas de code de calcul particulier et en laissent le libre choix. L'utilisateur doit donc préciser
ce point en fonction de la localisation de son projet.
Préférences
Outre
les informations citées précédement, l'utilisateur peut imposer certains
choix en fonction de son expérience personelle. On peut citer:
- le diamètre et l'épaisseur minimale des tubes
- le type de tubes
- la longueur maximum de l'échangeur
- ...
Il
est aussi important de préciser quel service est encrassant et quel
moyens doivent être utilisés pour le nettoyage (mécanique, chimique,
...). Cela peut orienter certains choix technologiques.
Exemple de réquisition
Description de l'équipement | |
Matériaux de construction | |
Chaleur échangée | |
Codes de calcul applicables | |
Fluide chaud
Nature du fluide | |
Débit | | | |
Température en entrée | | Phase (gaz/liq) | |
Température en sortie | | Phase | |
Pression en entrée | | Perte de charge admissible | |
Pression de calcul | | Température de calcul | |
Fluide froid
Nature du fluide | |
Débit | | | |
Température en entrée | | Phase (gaz/liq) | |
Température en sortie | | Phase | |
Pression en entrée | | Perte de charge admissible | |
Pression de calcul | | Température de calcul | |
Commentaires