Echangeur à tubes et calandre

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.

Description des échangeurs tubes et calandre

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.

Les chicanes

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.

Les passes

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 vitesse². 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

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

La disposition des tubes

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.