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Réquisition d'un échangeur de chaleur


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.

Courbes de vaporisationLe 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'étanchéïté.

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 entréePhase (gaz/liq)
Température en sortiePhase
Pression en entréePerte de charge admissible
Pression de calculTempérature de calcul

Fluide froid

Nature du fluide
Débit
Température en entréePhase (gaz/liq)
Température en sortiePhase
Pression en entréePerte de charge admissible
Pression de calculTempérature de calcul

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