Chauffage et refroidissement des fluides

Chauffage et refroidissement de gaz

Les gaz se comportent comme les liquides excepté que leur faible conductibilité thermique limite le transfert thermique dans un échangeur. Un des moyens courants de compenser cela est d'augmenter la surface d'échange coté gaz en plaçant des ailettes. Les ailettes peuvent être à l'intérieur des tubes mais sont le plus souvent à l'extérieur. La surface peut ainsi être multipliée par un facteur allant jusqu'à 500.

Chauffage et refroidissement de fluides corrosifs

Les fluides corrosifs peuvent être des liquides, des gaz chargés en vésicules de liquide corrosif (les gaz exempts de vésicules liquides sont rarement corrosifs), des gaz près de leur point de condensation formant des gouttelettes liquide concentrant les substances acides (CO2 dans l'eau par exemple), .... La vitesse de corrosion s'accroît fortement avec la température.

La corrosion se manifestera par une perte d'épaisseur des surfaces d'échange thermique conduisant souvent au perçage.

La corrosion des échangeurs sera limitée en utilisant un matériau résistant:
- aciers inoxydables
- graphite pour les solutions aqueuses d'acides minéraux
- matières plastiques pour les températures modérées (<100°C)

On pourra aussi rechercher l'emploi d'un inhibiteur de corrosion, ou bien neutraliser les espèces acide si cela est compatible avec le procédé.

On pourra refroidir des gaz très chauds par:
- contact avec un liquide froid dans une colonne
- contact avec un lit de matériau réfractaire
- vaporisation d'un liquide (de l'eau par exemple)

On pourra chauffer un liquide corrosif par l'action directe d'une flamme au sein du liquide.

Un fluide réputé non corrosif peut le devenir par l'action d'une impureté accidentelle (traces d'acidité dans l'alimentation, sel se décomposant à la chaleur générant des traces d'acidité, dépôts permettant un développement biologique anaérobie dans les fluides aqueux, ...)

Chauffage et refroidissement de fluides encrassant

Les fluides peuvent être encrassant parce qu'ils véhiculent des matières solides en suspension, ou en solution dans un vaporiseur, parce que le produit chauffé se dégrade à la chaleur en formant des goudrons, ou que le produit refroidi cristallise au refroidissement, des matières biologiques se développent ....

Les dépôts seront limités:
- en utilisant des vitesses de fluide élevées (>1m/sec à l'intérieur des tubes)
- en limitant les volumes morts
- en utilisant des surfaces raclées
- en limitant la température de paroi pour les produits thermo-sensibles
- en limitant le degré de sous refroidissement des fluides cristallisants
- en contrôlant le traitement bactéricide des circuits de réfrigération
- en limitant la température la plus chaude des circuits de réfrigération à 45°C

Le nettoyage sera facilité si:
- le fluide encrassant est coté tubes
- le faisceau est démontable et les tubes disposés en carré
- l'échangeur tubulaire est à deux têtes (pas de tube en U si un encrassement peut se produire à l'intérieur des tubes)
- l'échangeur est du type spirale ou à plaques et joints

Chauffage de fluides thermo sensibles

On recherchera à limiter:
- la température de la paroi
- le temps de séjour dans l'échangeur
- les volumes morts à l'intérieur de l'échangeur

Si des dépôts peuvent se produire, on recherchera un échangeur facile à nettoyer.

On pourra utiliser:
- des échangeurs à plaques ou spiralés pour accroître le transfert thermique et réduire les différences de température
- des échangeurs à paroi raclée si le produit est visqueux

Chauffage et refroidissement des solides

De par leur nature le transfert thermique au sein des solides est limité à la conduction puisque les mouvements de convection sont impossibles.
Les solides sont donc le plus efficacement chauffés ou refroidis directement par un fluide (liquide ou gaz) qui lui-même sera chauffé ou refroidi dans un échangeur.
Le solide peut être:
 - disposé en lit fixe au travers duquel on fait percoler le fluide
 - disposé en lit fluidisé par le fluide servant au transfert de chaleur
 - mis en mouvement dans un tube tournant dans lequel on fait circuler le fluide

Les solides peuvent aussi être chauffés et refroidis par contact avec une paroi assurant le transfert de chaleur. Une agitation mécanique devra renouveler continuellement le solide en contact avec la paroi d'échange.

Pour des températures très élevées, on pourra utiliser directement des gaz de combustion comme fluide chauffant.

Fluides caloporteurs

L'eau et la vapeur sont les fluides thermiques les plus employés dans l'industrie.
L'eau en refroidissement est de préférence utilisée en circuit fermé sur une tour de refroidissement atmosphérique. La température de l'eau de refroidissement ne devra pas dépasser 45°C pour limiter les dépôts de tartre dans les échangeurs. Si le procédé à refroidir est à une température trop élevée, il sera préférable d'utiliser un refroidissement direct à l'air.
Les conditions atmosphériques font que la température la plus froide d'une tour atmosphérique ne pourra pas être inférieure à 25°C en été. Pour des températures plus basses, il faudra faire appel à un système frigorifique.
La vapeur peut être utilisée pour le chauffage depuis la température ambiante jusqu'à des températures de l'ordre de 300°C (pression de vapeur de 100 bars environ). Le chauffage par la vapeur nécessite une infrastructure importante (traitement de l'eau d'appoint, générateur de vapeur, recyclage des condensats, ...); pour des unités de petite taille on pourra envisager l'emploi d'un fluide caloporteur organique (huile chaude) lui-même chauffé électriquement ou dans une chaudière à combustible. Le mélange eutectique de biphényl et d'oxyde de diphényl (Dowtherm, Therminol, ...) est largement répandu et utilisable jusqu'à une température de 400°C.
Jusqu'à une température de 500°C des sels fondus peuvent être utilisés pour assurer le chauffage ou le refroidissement. Le plus courant d'entre eux est le mélange de nitrate et de nitrite de sodium et potassium, liquide à partir de 140°C.

Propriétés physiques de fluides caloporteurs

Au delà de 500°C, le chauffage du fluide doit faire appel à un chauffage direct, électrique ou en brûlant un combustible dans un four.