Heat Exchanger Advice Tool

L’efficacité d’un échangeur est liée à la capacité de sa surface d’échange à provoquer des écoulements turbulents permettant des échanges de chaleur élevés à travers la paroi.

L’écoulement dans un canal provoque des forces de friction qui vont se traduire par la création d’une couche limite dynamique à la paroi où le fluide est à vitesse pratiquement nulle. Le phénomène limitant du transfert de chaleur est en fait une conduction à travers cette couche limite dynamique. Les géométries performantes permettent de réduire l’épaisseur de cette couche et donc la résistance thermique par conduction.

Le canal circulaire ou tube lisse nécessite des nombre de Reynolds (donc des vitesses) très élevés (10000) pour atteindre des régimes turbulents. Ainsi on a un profils de vitesse en courbe de Gauss, avec une vitesse maximale au centre et une couche limite assez épaisse.

Le canal rectangulaire à faible écartement inter-plaques, permet grâce aux effets de bords de perturber cette couche et le régime turbulent est obtenu à partir de nombre de Reynolds de 1500.

Les géométries plus performantes d’échangeurs à plaques permettront d’obtenir des régimes d’écoulement turbulent pour des Reynolds de 150 à 300. Les plaques sont généralement embouties afin d’obtenir des chevrons (vagues réparties sur toute la plaque) à angles et pas variables.

Ces turbulences plus ou moins élevées se traduiront par un phénomène d’intensification des coefficients d’échange. La référence étant le côté tube d’un échangeur tubulaire, l’intensification pour un canal rectangulaire sur un échangeur WPHEBOX ou SPIRAL sera de 1,5 à 3, pour un échangeur WPHEBLOX ou PSHE de 3 à 5 et pour un échangeur PHE de 4 à 8.

La compacité d’une technologie peut être déterminante lors du choix d’un équipement. D’une part il peut exister des contraintes d’installation d’autre part la création de nouvelles charpentes peuvent lourdement pénaliser le budget.

Chaque technologie a une compacité spécifique liée aux sections de passage qui sont mis en oeuvre sur chaque circuit. Par exemple on peut empiler 400 tôles carrées de 1 mètre de 0,5mm d’épaisseur espacées de 2 mm dans un mètre cube. On aura ainsi développé 400 m2/m3.

Généralement, les technologies offrant les compacités les plus importantes sont aussi celles qui procurent les plus grande turbulences et donc les meilleurs coefficients d’échange. Ainsi, pour un échangeur mettant en œuvre une circulation d’eau sur les deux circuits, on pourra obtenir un produit coefficient d’échange par compacité de l’ordre de 6000 W/m2.°C x 400 m2/m3 pour un échangeur à plaques et joints contre 2500 W/m2.°C x 50 m2/m3 pour un échangeur tubulaire. Pour 1 m3 requis en PHE, il en faudra donc 19 m3 en S&T (rapport 6000x400/2500x50).

Même si ces ratios sont à modérer par les exigences d’installation et de raccordement de chaque technologie (les échangeurs PHE sont équipés de bâti de montage avec pied arrière et barres de guidage inférieure et supérieure pour permettre le montage et la maintenance des appareils) on comprend bien l’intérêt des solutions à plaques souvent dénommées échangeurs compacts.

En terme d’exploitation des échangeurs, il y a souvent une confusion entre les risques de bouchage des canaux et d’encrassement de la surface d’échange.

La plupart des constructeurs préconisent dans leur notice de maintenance l’installation de filtres afin de recueillir les particules en suspension (particules de diamètre inférieur à de 0,5 mm). Lorsque les fluides comportent des particules, on doit arrêter l’installation trop fréquemment pour nettoyer le filtre ou installer en parallèle deux filtres. Dans les deux cas, on augmente le coût d’installation et le cout d’exploitation (CAPEX-OPEX).

Bien souvent ce risque de bouchage n’est pas forcément accompagné par une diminution des performances de l’échangeur par encrassement des parois. L’encrassement des parois peut être un phénomène complexe, il se traduit par la création d’un film à la paroi opposant une résistance au transfert de la chaleur. Les utilisateurs auront donc avantage à s’orienter vers des solutions qui vont privilégier des canaux larges pour éviter le bouchage.

La solution S&T avec des tubes de diamètre important reste la plus connue notamment dans l’industrie alimentaire (pasteurisation de pulpes) ou dans l’environnement (traitement des boues de bassin de décantation). Elle conduit hélas très souvent à des installations très encombrantes et des coûts élevés.

L’échangeur SHE grâce à l’unicité de son canal, en offrant des circuits pouvant aller jusqu’à 40 mm et une circulation à contre courant permettra d’obtenir des efficacités élevées et donc de réduire très sensiblement l’encombrement et l’investissement. De part son concept, il existe dans les canaux de tels échangeurs un phénomène d’auto-nettoyage grâce d’une part à la force centrifuge qui projette les particules tout au long de l’écoulement en spirale du centre vers la périphérie (ou l’inverse) mais aussi car le dépôt de particules provoque localement une diminution de la section de passage jusqu’à réentrainement des dépôts sous l’effet de l’augmentation de la vitesse.

Il existe aussi des solutions d’échangeurs à plaques à larges canaux.

On peut différencier au mois six types d’encrassement à la paroi: encrassement particulaire, biologique, par réaction chimique, par solidification, entartrage ou corrosion.

Les phénomènes physico-chimiques ne sont pas forcément liés à la technologie alors que le dépôt des particules fines dans la couche limite dynamique (voir efficacité) sera influencé par les types d’écoulement. Ainsi, contrairement au risque de bouchage, les géométries idéales seront celles qui permettent d’obtenir des turbulences importantes. On caractérise cette capacité à ne pas s’encrasser par la contrainte de cisaillement à la paroi, plus elle est élevée, moins la couche dynamique se développe, moins les particules se déposent. Les ingénieries imposent souvent des dimensionnement d’équipements permettant d’obtenir des valeurs de contraintes allant de 15 à 50 Pa. Seuls les échangeurs à plaques sont alors utilisables.

Malgré la capacité à limiter l’encrassement de certaines technologie, il faudra parfois faire le choix de technologie offrant de réelles possibilités d’accès pour nettoyage mécanique, soit par démontage du paquet de plaques (PHE) soit par ouvertures des boites de distribution (WPHEBOX).

Il est aussi fortement conseillé de faire du nettoyage chimique préventif, une augmentation des pertes de charge de 30% doit généralement permettre de déclencher une telle opération.

Les encrassements ont souvent une évolution dans le temps vers une valeur maximale (courbe asymptotique). Les ingénieries recommandent alors de dimensionner les échangeurs en prenant en compte une valeur de résistance d’encrassement garantissant les performances de l’échangeur même encrassé. Il existe quelques ouvrages de référence qui donnent des valeurs d’encrassements usuelles ( T.E.MA.). Il faut cependant rester très attentif au résultat de tels dimensionnements. En effet, ces coefficients d’encrassement se traduisent par une réserve de surface d’échange. Cette surpuissance peut alors s’avérer néfaste pour l’exploitation de l’échangeur. Les températures de consigne étant trop rapidement atteintes, les vannes de régulation vont alors imposer soit des débits d’eau de refroidissement trop faibles avec donc des températures de parois fortes générant un entartrage soit une chute de la pression de vapeur des réchauffeurs avec risque de disfonctionnement des purgeurs et coups de bélier. On veillera donc à éviter des excès de surface supérieurs à 50%, les ingénieries recommandant dorénavant des valeurs de 15 à 30%.

Les investissements sont parfois réalisés avec une montée en puissance progressive de l’unité sur plusieurs mois voir années. Cela se traduit par un besoin de capacité progressif sur les échangeurs.

Dimensionner les équipements en utilisant le débit maximal est rarement la bonne solution. En effet, au débit de démarrage, les vitesses dans l’échangeur seront trop faibles. Cela peut générer des fonctionnements insuffisants en régime d’écoulement laminaire (obtenu à nombre de Reynolds faibles voir « efficacité ») ou accélérer l’encrassement de l’appareil.

Lorsque cela est possible, il convient d’installer plusieurs échangeurs en parallèle et de les mettre en exploitation au fur et à mesure de l’augmentation de capacité, mais cela pénalise fortement le CAPEX.

On peut aussi jouer sur les niveaux de température des fluides utilités (utiliser de l’eau de refroidissement plus chaude ou une vapeur à pression plus faible), par contre l’OPEX peut alors être pénalisé.

Lorsque les conditions d’exploitation le permettent (pression température), l’échangeur à plaques et joints PHE offre alors une solution extrêmement efficace et économique. L’échangeur est alors dimensionné avec les capacités initiales et le bâti aura la taille nécessaire pour recevoir ultérieurement plus de plaques afin de garantir le fonctionnement à plein régime.

Les conditions d’exploitation des équipements provoquent souvent des casses par fatigue ou corrosion. Il existe aussi des défaillances dans les installations générant des défauts de circulation dans les échangeurs, des vibrations ou des coups de bélier.

Il est alors intéressant de pouvoir intervenir sur les équipements pour inspection et réparation.

L’échangeur tubulaire S&T s’il est équipé de boites démontables (type BEM, AEL ou NEN par exemple) permettra lors d’une épreuve hydraulique d’identifier les tubes générant une fuite inter circuit. Il est alors possible de boucher le tube en le condamnant. Il est parfois demandé de faire le dimensionnement thermique pour marche avec 15% de tubes bouchés. Cela permet de limiter les pertes d’exploitation par prolongement de l’arrêt, le « retubage » de l’échangeur sera fait pendant les arrêts annuels.

Les échangeurs à plaques et joints PHE offrent aussi la possibilité de supprimer les plaques percées. Leur localisation est par contre plus délicate. Il faut démonter l’appareil, nettoyer les plaques et faire une recherche par ressuage par exemple (sauf lorsque la fuite est située au niveau des zones de décompression des joints). Il est recommandé d’avoir un stock de plaques et joints de rechange quoique les constructeurs peuvent généralement fournir ces pièces dans des délais très courts.

Les échangeurs à plaques soudées WPHE ou Spirale SHE sont quant à eux plus difficilement réparables. Ils nécessitent soit une formation poussée des spécialistes de la maintenance du site soit un envoi des équipements chez le constructeur, l’intervention sur site étant très rarement possible.

Il est cependant parfois possible de boucher un canal sur un échangeur à plaques soudées WPHEBOX ou WPHEBLOC. La perte de capacité sera cependant plus importante que sur un échangeur tubulaire.