Les
échangeurs à tubes et calandre sont parmi les plus utilisés dans les
industries de procédé et particulièrement dans la chimie et le
raffinage. La plupart des échangeurs tubulaires de ce
type sont
conçus en respectant les
normes
"Standards of
Tubular
Exchanger
Manufacturers
Association"
(TEMA). TEMA est une association professionnelle de constructeurs
d'échangeurs de ce type, qui se sont réunis pour définir des normes de
conception et de construction.
Dans
les échangeurs à tubes et calandre, l'un des fluides appelé
fluide côté tubes
circule à l'intérieur d'un ensemble de tubes parallèles appelé
faisceau tubulaire.
Ces tubes sont enfermés dans une enveloppe appelée
calandre. L'autre
fluide appelé
fluide
côté calandre
circule à l'intérieur de la calandre mais à l'extérieur des tubes. Les
tubes et la calandre sont donc soumis à la pression des fluides et
doivent donc être construit pour y résister.
Les
tubes sont pris à leur extrémités dans les plaques perforées appelée
plaques tubulaires,
destinées à maintenir les tubes assemblés et à séparer les fluides côté
tubes et côté calandre. L'assemblage des tubes sur les plaques
tubulaires doit être soigné pour être parfaitement étanche et éviter le
passage d'un fluide vers l'autre. Celui-ci est généralement assuré par
un dudgeonnage ou un soudage ou bien les deux.
Les
tubes étant généralement souvent de grande
longueur (jusqu'à 6 mètres) et de faible diamètre pour optimiser le
rapport surface/volume, ils doivent être supportés entre les plaques
tubulaire pour éviter leur fléchissement. Ces supports ont la forme de
plaques perforées, transversales aux tubes. Les tubes passent au
travers des trous. Ces plaques sont maintenues en place au moyen de
tirants et d'entretoises.
Les tubes doivent pouvoir
accepter les variations de températures imposées par leur service
et pouvoir se dilater sans contrainte mécanique excessive.
Pour
cela il est fréquent de permettre le libre déplacement de l'une des
plaques tubulaire. Elle est alors dite
flottante
par
opposition
avec la
plaque
tubulaire fixe qui maintient le faisceau solidaire de la
calandre.
Un
autre moyen pour autoriser des dilatations importantes des tubes est de
donner aux tubes la forme d'un U. Les deux extrémités des tubes seront
alors solidaires de la même et unique plaque tubulaire.
Un
dernier moyen est d'équiper la calandre d'un soufflet lui permettant de
s'allonger sans trop de résistance sous l'effort des tubes qui se
dilatent.
Des
chicanes sont installées côté calandre pour orienter le cheminement du
fluide, et forcer son contact avec la totalité de la surface des tubes.
Ces chicanes peuvent être orientées perpendiculairement ou
parallèlement à l'axe de l'échangeur. Leur fenêtre de passage peut
prendre la forme de secteur de cercle simple ou double, ou encore de
disques. La coupure de la chicane peut être disposée horizontalement ou
verticalement.
Les
chicanes contribuent au supportage des tubes. La forme des fenêtres des
chicanes fait que certains tubes seront plus supportés que d'autres.
Les
tubes les moins supportés seront plus sujets aux vibrations que les
tubes mieux supportés. Dans certains cas où ce phénomène peut être
critique, on peut choisir de ne pas mettre de tube dans les ouvertures
de chicanes. L'échangeur sera alors plus volumineux puisque une partie
de la calandre sera vide.
Dans
la disposition la plus simple, les fluides côté tubes et côté calandre
entrent à une extrémité et sortent à l'autre. On dit alors qu'il n'y a
qu'une seule passe (un seul passage) côté tubes et côté calandre. Les
fluides peuvent entrer du même côté, (co-courant) ou aux côtés opposés
(contre-courant).
Le transfert thermique est amélioré quand la
vitesse et l'agitation du fluide augmentent. Il arrive fréquemment que
avec une disposition à une seule passe la vitesse des fluides soit trop
faible. Pour augmenter cette vitesse tout en conservant le même nombre
de tubes (même surface d'échange), on a recours à la multiplication du
nombre de passes:
côté tubes, on fait parcourir au fluide un
cheminement le long de l'échangeur dans un sens dans certains tubes,
dans l'autre sens dans d'autres tubes, .... On construit ainsi des
échangeurs ayant 2, 4, 6, 8 passes côté tubes. On obtient cela en
installant des boîtes de distribution proprement compartimentées, aux
extrémités des faisceaux tubulaires.
Le coefficient d'échange augmente comme vitesse
0,8 tandis que la perte de charge augmente comme vitesse
2.
La perte de charge augmente donc beaucoup plus vite que l'échange
thermique et dans la pratique on recommande des vitesses dans les tubes
>1m/sec mais <3m/sec.
Côté calandre, on ajuste la
vitesse du fluide dans la calandre en installant en priorités des
chicanes transversales qui de plus assureront le supportage
des
tubes.
On peut également établir plusieurs passes en installant des
chicanes longitudinales. Cependant cette solution n'est souvent pas
retenue car elle rend plus difficile le nettoyage du faisceau entre les
tubes.
Les
boîtes de distribution du fluide côté tubes sont munies de parois
étanches pour orienter le fluide vers les tubes appropriés. Les boîtes
de tête et de fond ne sont pas identiques. La règle la plus importante
est de consacrer un nombre quasiment identique de tubes pour chaque
passe.
La table ci-dessous représente quelques configurations possibles.
| Nombre de passes côté tubes |
Partition des boîtes de distribution de tête et de fond |
| 2 passes |
 |
| 3 passes |
 |
| 4 passes |
 |
| 4 passes |
 |
| 6 passes |
 |
Les tubes peuvent
être disposés selon:
- un pas carré
- à 90 degrés par rapport à l'écoulement du
fluide côté calandre
- à 45 degrés par rapport à l'écoulement du fluide côté
calandre
- un pas triangulaire
- à 30 degrés par rapport à l'écoulement du
fluide côté calandre
- à 60 degrés par rapport à l'écoulement du fluide côté
calandre
La
disposition en pas carré, contrairement au pas triangulaire, laisse un
espace libre rectiligne permettant le passage d'un jet ou d'une brosse
pour le nettoyage de l'échangeur entre les tubes. Il sera donc préféré
sur les services encrassant.
La disposition en pas triangulaire est
plus dense et conduit donc à des échangeur plus compacts. De plus il
offre au fluide moins de cheminement hors de la surface des tubes que
le pas carré, et est donc plus efficace pour le transfert thermique. Il
sera préféré pour les services où un nettoyage mécanique n'est pas
requis.
Dimensions des tubes et des calandres
Les
échangeurs à tubes et calandre peuvent théoriquement
être construit dans toutes les dimensions, cependant dans le but
d'en optimiser le coût on cherchera à respecter quelques règles:
Les
tubes sont normalement disponibles en longueur de 12m (40 pieds). Pour
minimiser la perte de matière lors de la confection, on privilégiera
des longueurs sous multiples de 12 (6m, 4m, 3m, 1,5m, 1,2m, ...)
Les
calandres sont souvent équipées d'une ou deux brides permettant le
démontage des boites de distribution. Ces brides ont des diamètres
adaptées aux faisceaux tubulaires et aux calandres. Il sera plus
économique de choisir des brides de dimension standard (10", 14", 20",
24", ...). Le diamètre de la calandre sera choisi en conséquence.
