Echangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont destinés à transférer de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide froid. Dans la plupart des échangeurs les fluides chaud et froid sont séparés par une paroi métallique. Tous les échangeurs sont semblables dans leur principe. Le transfert de chaleur utilise une combinaison de conduction à travers cette paroi et de convection forcée. Ils diffèrent dans l'arrangement des surfaces d'échange. Les principaux types d'échangeurs en usage sont:

• les échangeurs à tubes et calandre
• les échangeurs à air
• les échangeurs à tube double
• les échangeurs à plaques

On classe généralement à part:

• les tours de refroidissement qui font appel à un transfert de matière entre les fluides
• les fours qui font appel à un transfert par radiation

Echangeurs à tubes et calandre

Ces échangeurs sont les plus répandus dans l'industrie chimique malgré leur performances moyennes (surface et encombrement supérieurs aux échangeurs à plaque).
C'est qu'ils ont une plage d'utilisation supérieure (en température et en pression), une meilleure tenue mécanique et sont plus faciles d'entretien.
Les performances d'échange peuvent être améliorées avec des tubes corrugués, à ailettes (Brown Fintube), électropolis, revêtus (Hight Flux de UOP) ou équipés d'internes (Hitran de Norwest).
Attention cependant, toute opération d'écrouissage sur les tubes peut accélérer certains phénomènes de corrosion.

Echangeurs à plaques et joints

Développés initialement pour l'industrie laitière qui avait besoin d'un transfert thermique élevé, d'un temps de séjour faible et d'un accès facile pour nettoyage, les échangeurs à plaques ont les meilleures performances thermiques.
Leur domaine d'application est limité par la tenue des joints:
- de 0 à 250°C en température
- de l'atmosphère à 20 bars en pression

Echangeurs à plaques soudées

L'absence de joint autorise un domaine d'application plus étendu:
- de -40 à 500°C en température
- de l'atmosphère à 30 bars en pression
De nombreux constructeurs proposent ce type d'échangeur (Alfarex de Alfa Laval, Platulaire de Barriquand, Compabloc de Vicarb, Heatex de Kapp France, Packinox)

Echangeurs à plaques ailettées

Les échangeurs à plaques ailettées (PFHE pour Plate-Fin Heat Exchanger dans la littérature anglo-saxone), du fait de leurs grande efficacité, sont largement répandus dans toutes les applications cryogéniques.

Ils sont constitués d'un empilement d'ailettes ondulées alternant avec des plaques séparatrices, et soudés ensemble pour former un bloc monolithique.
Les distributeurs d'entrée et de sortie sont judicieusement disposés pour permettre la circulation des fluides.
L'aluminuim est le matériau le plus employé pour les applications à basse température et faible pression, tandis que l'acier inox est réservé aux applications à haute température et pressions élevées.

Echangeurs spiralés

Compact (jusqu'à 150m2/m3), il est généralement constitué de deux ou quatre bandes de tôle enroulées autour d'un collecteur central cylindrique.
Les tôles sont soudées bord à bord de chaque côté du cylindre pour assurer l'étanchéité inter-circuit.
Contrairement à l'échangeur tubes-calandres, le fluide circule dans un canal unique théoriquement imbouchable: si un dépot se forme, la vitesse du fluide augmentera et le décollera.
En démontant les deux faces du cylindre les canaux où circulent les fluides sont accessibles pour nettoyage.
Les plages d'utilisation vont:
- de -40 à 300°C en température
- du vide absolu à 25 bars en pression
Le débit est généralement limité à 300m3/h; au-delà des vibrations peuvent apparaître.

Echangeurs à surface raclée

Pour les produits visqueux, pâteux, cristallisants, l'échangeur à surface raclée permet de renouveller le produit en contact avec la paroie et ainsi accélère le transfert thermique.

Echangeurs en graphite

Pour les milieux fortement corrosifs pour lesquels aucun métal économique ne convient.
Les avantages du graphite sont:
- bonne conductivité thermique
- inertie chimique
- tenue en température
Les inconvénients sont:
- fragilité
- le liant est détruit par certains solvants
- difficulté de mise en oeuvre (usinage de blocs ou de plaques)
La surface d'échange est limitée.

Echangeurs en plastique

Sont généralement utilisés le PTFE et le PVDF.
Les avantages du plastique sont:
- résistance à la plupart des agents corrosifs
- les surfaces étant lisses, la formation de dépots est plus difficile
Son caractère isolant peut être contourné en utilisant des épaisseurs plus faibles et en ajoutant du graphite pour le rendre plus conducteur.
Son principal inconvénient est que sa résistance mécanique se dégrade avec l'élévation de température.