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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.