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INTRODUCTION :

Les changeurs thermiques tubulaires sont les plus frquemment employs pour

chauffer un fluide par refroidissement ou condensation d'un autre fluide disponible.

La conception de tels changeurs suit une dmarche particulire : On fixe un certain

nombre de variables priori, on dtermine ds lors les caractristiques de l'change qui sous

ces hypothses doit atteindre les objectifs d'change thermique. On choisit ensuit la

technologie la mieux adapte. Enfin on valide, par le calcul, les variables initialises.

Lorsqu'elles sont en accord avec les hypothses mises, l'changeur est alors bien

dimensionn.

Nous allons voir sparment ces diffrentes tapes puis nous tudieront sparment les

principaux organes de ces changeurs.

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I. CALCUL DE LA SURFACE :

Surface dchange :

On initialise une valeur du coefficient d'change Us pour l'changeur encrass extraite

dans le tableau ci-dessous, suivant les caractristiques des fluides impliqus :

Fluide chaud Fluide froid Valeur de Us (J/s.m2C)

Gaz Gaz 35

Gaz Liquide visqueux 40

Gaz Liquide peu visqueux 60

Liquide visqueux Gaz 40

Liquide peu visqueux Gaz 60

Liquide visqueux Liquide Visqueux 180Liquide visqueux Liquide peu visqueux 230

Liquide peu visqueux Liquide peu visqueux 1500

Vapeur Liquide visqueux 350

Vapeur Liquide peu visqueux 1700

Vapeur Liquide en bullition 1300

L'aire d'change A ncessaire au transfertest :

DTLMUsQA

*= avec

22

11ln

2211

TfTc

TfTcTfTcTfTcDTLM

+=

Cest la moyenne logarithmique de l'cart de temprature entre les deux fluides (Q est le flux

de chaleur chang).

Nombre de tubes :

Afin d'effectuer de meilleurs changes, il est impratif que le rgime d'coulementdans les tubes soit turbulent (cette prtention n'a plus lieu d'tre lors d'une condensation),

dfaut il convient soit de corriger le diamtre des tubes, soit la vitesse du fluide

prcdemment choisie.

Il s'en suit que le nombre de tube n0 que comporte l'changeur est l'entier le plus

proche devSi

D

* avec Si : la section intrieure des tubes.

La vitesse relle du fluide dans les tubes est alors :

Sin

D

Vrelle *0=

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Alors le nombre de passes np cot tubes est l'entier pair le plus proche deSin

A

*0, qui

permettra d'assurer l'aire d'change dsire.

Le nombre total de tubes ainsi trouv donne l'aire d'change exacte A.

Disposition et nombre de tubes :

La perte de charge maximale acceptable pour un liquide est de 0.5 bar et pour un gaz

0.3 bar. Au-del il faut corriger les choix effectus soit quant au diamtre des tubes, soit quant

la vitesse du fluide circulant dans les tubes.

On choisi la disposition des tubes dans l'enveloppe (en maille quilatrale ou carre)

et, l'aide dabaques, on en dduit la valeur de Y - facteur correctif- , pour une passe cot

calandre.Si Y> 0.85 alors une passe suffit pour notre changeur.

Dans le cas contraire calculer Y pour deux passes et appliquer le mme critre. Cela

permis de trouver le nombre de passes cot calandre npc et le coefficient d'change encrass

rel :AY

AUssU

= .

Ds lors, le diamtre intrieur Dc de la calandre est astreint, et il se dduit du nombre total de

tubes et de la gomtrie des mailles.

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II. CHOIX DE LA TECHNOLOGIE :

Une fois les grandeurs physiques dtermines (surface dchange, diamtre et nombre

de tubes), un certain nombre de contraintes vont tre imposes pour la ralisation de

lchangeur. Le process intervient en grande partie dans les choix qui seront faits lors de laconception, ainsi que la rsistance de la structure aux contraintes mcaniques.

Les contraintes mcaniques :

Pression :

Les changes thermiques concernent souvent des fluides sous pression, il convient que

la structure de lchangeur rsiste celle-ci.

Pour cela on fait gnralement circuler le fluide soumis la plus haute pression ct

tubes (les surfaces soumises la pression y sont plus petites). On peut galement intervenirsur lpaisseur des tubes et de la calandre (dans une moindre mesure lorsquil sagit des tubes

puisque lon modifie le coefficient d'change thermique). Les hautes pressions peuvent par

ailleurs imposer lutilisation de ttes sans joints.

Temprature :

Les diffrences de temprature au sein des changeurs peuvent entraner des

contraintes mcaniques dangereuses pour ceux-ci.

En effet, calandres et tubes ne subissent pas la mme dilatation linaire. Par

consquent, il faut prvoir dans certains cas la mobilit des tubes par rapport la calandre,

une autre solution consiste insrer un ou plusieurs soufflets de dilatation sur la calandre

(notamment lorsque le process ne permet pas la mobilit des tubes ou lorsque cette mobilitsavre plus coteuse raliser quun soufflet). Les hautes tempratures peuvent aussi

entraner des problmes dtanchit.

Contraintes lies au process :

Circulation du fluide :Le process impose parfois le ct dentre et de sortie des fluides ct tubes et ct

shell (calandre). Ce facteur peut imposer une modification du nombre de passages.

Volume allou lchangeur :Ce facteur peut galement imposer une modification du nombre de passages des tubes

dans la calandre ou lutilisation de montages en parallle et en srie.

Changements de phase :Certains changeurs ont pour fonction de faire vaporer un fluide. Dans ce cas il faut

prvoir un volume suffisant pour ce changement de phase et une sortie par le haut pour la

vapeur.

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Entretien:

Pour certains fluides il est ncessaire deffectuer un entretien rgulier. Ct tube, il

faut prvoir une tte avec couvercle (amovible), les conceptions avec tubes couds (en U) sont

proscrire puisquelles interdisent le curage des tubes. Ct shell, si lentretien est ncessaire,

il faut pouvoir y accder (pas de conceptions soudes).

Normalisation :

La norme TEMA (Tubular exchanger manufactured association) dfinit les principaux

types d changeurs qui conviennent la plupart des applications.

Cette norme comporte une nomenclature (cf. annexe). La forme dun changeur est

dfinie par trois lettres (tte 1, Shell, tte 2), ainsi que par des chiffres qui correspondent son

dimensionnement.

La norme dfinit galement toutes les tolrances de ralisation (joints, ajustements,

profils).

Exemples :

AES :

Tte 1 : Manchon brid (1), plaque tubulaire bride (6) et couvercle amovible (4)

Shell : Calandre un passage (8)Tte 2 : Plaque tubulaire bride (15), mobile avec renvoi du fluide dans la tte 1

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AKT :

Tte 1 : Manchon brid (1), plaque tubulaire bride (6) et couvercle amovible (4)

Shell : Kettle (Volume prvu pour lvaporation et lvacuation des gaz) (8)

Tte 2 : Plaque tubulaire mobile (15) avec renvoi du fluide dans la tte 1 (il ny a pas

proprement parler de tte 2 dans un rebouilleur).

Toutes les combinaisons ne sont pas possibles. Les combinaisons suivantes sont

impossibles :

KL, KM, KN, KS, NS, NT, NK, NU, NL, NM.

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III. Composition des changeurs :

les tubes :

Il existe des quantits de tubes diffrents. Nous allons faire un petit inventaire des plus

utiliss en prcisant leurs caractristiques.

! Tubes corrugus ou onduleux.

! Tubes ailettes extrieures extrudes : les ailettes sont obtenues par moletage du tube

lisse, ce qui permet davoir le mme diamtre extrieur quun tube normal. Do une

facilit de mise en place dans les plaques tubulaires. Le rapport surface

extrieure/surface intrieure varie de 3 5.

! Tubes ailettes ondules : un ruban ondul et soud hlicodalement sur un tube

classique. Le rapport des surfaces varie de 9 16.

! Tubes pines : un tube normal est muni dune sorte de brosse mtallique constituant

une surface trs dveloppe, propice aux changes dans les milieux gazeux.! Tubes ailettes intrieures rapportes : on insre un profil en aluminium en forme

dtoile lintrieur du tube, augmentant ainsi la surface intrieure. Le rapport des

surfaces est de 0,5 pour une toile 5 branches et de 0,37 pour une toile 10 branches.

! Tubes rainures internes : les rainures sont faites directement dans le tube do une

transmission thermique optimale.

! Tubes surface externe traite : tubes possdant en surface des cavits ou des

asprits.

Le matriau utilis pour la fabrication des tubes dpend surtout de la temprature

dutilisation des tubes. Ces matriaux sont de lacier, du cuivre rouge, du cupronickel, du

laiton ou des aciers inoxydables.On nexpliquera pas ici comment calculer le diamtre des tubes mais on peut dire que

lon cherche avoir des diamtres les plus petits possible pour avoir de meilleurs coefficients

dchange thermique et des appareils compacts mais pas trop petits pour viter les problmes

dencrassement interne.

Plaques tubulaires et chicanes :

Ces plaques tubulaires sont destines recevoir les tubes. On les retrouve aux

extrmits de la calandre mais galement plusieurs endroits dans la calandre lorsque lalongueur des tubes est trop importante par rapport la flexibilit de ceux-ci.

Il arrive trs frquemment que lon rajoute des plaques intermdiaires qui ont pour but

de crer des chicanes pour obliger le fluide traverser plusieurs fois lensemble des tubes et

ainsi augmenter lchange de chaleur par passe. Cette mthode permet galement davoir des

changeurs beaucoup plus compacts.

Lpaisseur des plaques se calcule par diffrentes mthodes que lon peut retrouver

dans le CODAP 80 et 85 ou dans le TEMA amricain. Mais lpaisseur des plaques

intermdiaires nest pas aussi importante que celle des plaques extrmes. Lpaisseur des

plaques est fonction du diamtre de la calandre et du diamtre des tubes.

Pour ce qui est du matriau utilis pour fabriquer les plaques, il dpend principalementdu degr dagressivit du fluide circulant dans les tubes pour les plaques extrmes et du fluide

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circulant dans la calandre pour les plaques intermdiaires. On a gnralement de lacier pour

les fluides non agressifs, du bronze daluminium pour les eaux agressives(eau de mer par

exemple) ou un acier inoxydable pour les fluides agressifs.

Calandre :

Les dimensions de la calandre sont fonction :

! De la longueur des tubes

! Du diamtre calcul partir du nombre de tubes, de leur diamtre extrieur, de leur

disposition et de leur pas

! Epaisseur calcule pour rsister la pression du fluide interne

Les calandres sont gnralement en acier. Jusqu' un diamtre extrieur de 400mm, les

calandres sont en tubes de diamtre normalis alors que pour des diamtres suprieurs, elles

sont formes par enroulement de plaques de tle.

Les ttes :

Ces ttes ont plusieurs fonctions. Elles servent tout dabord recevoir le fluide

circulant dans les tubes et lvacuer. Mais elles servent galement faire circuler le fluide

plusieurs fois dans les tubes (nombre de passes) et ce dans un nombre prcis de tubes pour

avoir la vitesse de circulation souhaite.

Ces ttes sont soit directement soudes sur les plaques extrmes soit brides sur celles-

ci pour permettre le dmontage et le nettoyage des tubes.Elles sont dimensionnes pour permettre un dbit-volume maximal circulant. Et sont

ralises en fonte, en tles mcanosoudes ou usines dans des plaques paisses.

Le montage :

La fixation des tubes dans les plaques tubulaires est gnralement ralise par

mandrinage de leurs extrmits dans des trous percs dans les plaques. Ce mandrinage peut se

faire dans une seule plaque et laisser libre lautre ct pour viter une casse lors de

phnomnes de dilatation. On utilise alors, du ct libre, des presse-toupe qui peuvententraner plus facilement des fuites do la ncessit de contrler frquemment ce genre de

machine. Cest pourquoi il est prfrable de mandriner les tubes des deux cts et de

permettre une plaque de se dplacer en la reliant une coquille mobile runie au fond de

lappareil par lintermdiaire dun joint dformable.

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Conclusion :

La conception des changeurs impose en gnral des compromis pour rpondre au

mieux toutes ces contraintes et il convient de toujours terminer la dmarche de conception

par un calcul de validation.

Cependant ltablissement des diffrentes normes ( CODAP, TEMA, ASME ) ont

simplifi de manire significative cette dmarche de conception.

Nous souhaitons galement remercier ici Pierre Gardinal de la socit Europetube

Belgique de nous avoir prsent les changeurs thermique ainsi que la faon dont il procde

pour valuer la taille des changeurs.