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.

La performance de l'échangeur dépend en partie de la forme des ailettes. Outre la conduction de la chaleur vers la plaque séparatrice, elles génèrent des turbulences au sein du fluide en mouvement pour améliorer le transfert thermique.
Les formes les plus courantes sont:
 - pleines et rectilignes rectangulaires ou trapèzoidales
 - pleines et en chevron
 - perforées
 - persiennées

Domaines d'application

Les principaux avantages sont:
 - grande efficacité d'échange
 - approche de température étroite (1 à 3°C)
 - grande surface d'échange par unité de volume (environ 1000m²/m3)
 - faible poids
 - capable d'assurer le transfert thermique entre plus de deux fluides (jusqu'à dix fluides simultanés)
 - permet un vrai contre-courant
Les principales limitations sont:
 - réservé aux faibles pressions de travail
 - difficiles à nettoyer. A réserver donc aux fluides propres et non encrassants
 - difficiles à réparer
 - l'aluminium, très prisé dans les application cryogéniques, peut être corrodé par la présence de traces mercure se trouvant dans certains gaz combustibles liquéfiables.

Ces échangeurs sont particulièrement adaptés aux cycles thermodynamiques de liquéfaction de gaz, pour lesquels l'optimisation de la consommation énergétique passe par des échanges thermiques entre fluides avec des approches thermique les plus faibles possibles. C'est pourquoi ils sont très utilisés dans les industries de:
 - séparation des constituants de l'air
 - liquéfaction de gaz naturel
 - pétrochimie
 - liquéfaction d'hélium

Configurations

Echangeur multiflux

L'arrangement des plaques et ailettes supperposées, permet d'effectuer le transfert thermique entre plusieurs fluides (jusqu'à quinze fluides), dans un volume très restreint, et sans tuyauterie de liason.
L'échange peut se faire indifféremment à co-courant, à contre-courant ou à courants croisés.

Echangeur incorporé dans une calandre

L'un des fluides peut être canalisé et distribué entre les plaques dédiées, tandis que l'autre circule librement entre les autres plaques.
L'une des applications consiste à remplacer un faisceau tubulaire dans un rebouilleur de type "Kettle".

Boite froide

Pour les applications cryogéniques, mettant en oeuvre un arrangement de plusieurs échangeurs reliés par des tuyauteries de transfert des fluides, pour minimiser les déperditions thermiques, l'ensemble peut être enfermé dans un caisson rempli d'un isolant thermique de type perlite. Cette configuration est usuellement nommée "boite froide".