Comment concevoir un échangeur de chaleur tubulaire ?

Comment concevoir un échangeur de chaleur tubulaire ?

Chez HRS Heat Exchangers, nous concevons chaque jour des échangeurs de chaleur tubulaires. Cette section vous donne un aperçu du processus.

Étape 1 : Analyse de la demande

Lorsque nous recevons une demande d’échangeur de chaleur, la première étape consiste à analyser l’application. S’agit-il d’une application dans l’industrie alimentaire ? S’agit-il d’une application industrielle ? L’ingénieur concepteur doit définir correctement le type d’échangeur de chaleur qui est nécessaire et qui répondra aux exigences de l’application.

La température, la pression et la perte de charge maximale admissible doivent être définies pour le produit et les fluides de service.

Étape 2 : Identification des propriétés du fluide

L’étape suivante consiste à analyser les fluides ou les gaz concernés : le fluide côté produit et le fluide côté service. Quatre propriétés physiques importantes des fluides concernés doivent être connues :

• Densité
• Chaleur spécifique
• Conductivité thermique
• Viscosité

La bonne façon de procéder consiste à obtenir les valeurs de ces quatre paramètres pour différentes températures de la courbe de chauffage ou de refroidissement de l’application. Plus nous comprenons les propriétés physiques des fluides concernés, plus la conception de l’échangeur de chaleur sera précise.

Étape 3 : Le bilan énergétique

Une fois les propriétés physiques correctement définies, il est temps de vérifier le bilan énergétique. Normalement, le client définit le débit du produit et les températures d’entrée et de sortie souhaitées. Il indique le type de fluide de service à utiliser et définit deux des trois paramètres suivants : le débit de service, la température d’entrée de service ou la température de sortie de service. Deux de ces paramètres étant connus, le troisième est calculé.

Étape 4 : Définition de la géométrie des échangeurs de chaleur

Au cours de cette étape, l’ingénieur concepteur définit la géométrie de l’échangeur de chaleur. Il choisit le diamètre de l’enveloppe et définit le faisceau de tubes placé à l’intérieur de l’échangeur de chaleur : nombre de tubes intérieurs, diamètre et épaisseur de la paroi du tube intérieur et longueur des tubes intérieurs. Ensuite, les dimensions des raccords de fluide côté calandre et côté tube sont définies. A ce stade, le choix des matériaux utilisés doit également être fait. En standard, HRS Heat Exchanger utilise des aciers inoxydables pour l’enveloppe et les tubes, mais d’autres alliages peuvent également être utilisés.

Étape 5 : Calcul thermique

À ce stade, l’ingénieur concepteur effectue un calcul thermique. L’objectif est d’obtenir les coefficients de transfert de chaleur côté calandre et côté tube. Ces coefficients dépendent des quatre paramètres clés du fluide et de la vitesse du fluide. La relation entre les paramètres et les coefficients de transfert de chaleur est définie dans une formule mathématique spécifique à la géométrie (c’est-à-dire le type d’échangeur de chaleur utilisé : tubulaire, à plaques, à tubes ondulés). HRS Heat Exchangers dispose de ses propres formules spécifiques pour l’utilisation de tubes ondulés.

Lorsque les coefficients de l’enveloppe et du tube sont connus, le coefficient global de transfert de chaleur peut être calculé. En connaissant cette valeur, il devient possible de calculer la surface totale de transfert de chaleur nécessaire pour l’application :

Surface=Droit/[K×LMTD]

Où ?

• Surface: Surface totale de transfert de chaleur requise, en m².
• Service: chaleur totale transférée, kcal/h (dérivée du bilan énergétique).
• K: coefficient global de transfert de chaleur, kcal/[hr.m².°C].
• LMTD: différence de température moyenne logarithmique, °C (différence de température logarithmique moyenne entre le fluide côté calandre et côté tube sur la longueur de l’échangeur de chaleur).

Un autre paramètre important est la perte de charge, qui est calculée pour les fluides côté calandre et côté tube. La perte de charge est fonction du nombre de Reynolds, du type d’écoulement (turbulent ou laminaire) et de la valeur de rugosité de l’enveloppe et des tubes intérieurs.

Étape 6 : Interprétation du calcul thermique

La surface calculée est comparée à la surface définie à l’étape 4 et on vérifie si les pertes de charge se situent dans les limites de conception. Si la surface calculée dépasse la surface prédéfinie, la géométrie de l’échangeur de chaleur doit être revue, éventuellement en augmentant la longueur ou en ajoutant des tubes intérieurs.

De même, si la perte de charge calculée dépasse le maximum défini, une nouvelle géométrie doit être conçue pour garantir une réduction de la perte de charge. Les étapes quatre à six sont ensuite répétées jusqu’à l’obtention d’une conception satisfaisante avec une géométrie appropriée.

Étape 7 : Calculs de conception mécanique

Une fois la géométrie de l’échangeur de chaleur définie, les calculs de conception mécanique doivent être effectués pour s’assurer que la conception de l’échangeur de chaleur est valable pour la pression et les conditions de conception. Les calculs typiques sont les suivants :

• Calcul de l’épaisseur de la paroi de la coque.
• Calcul de l’épaisseur de la paroi de la tuyère.
• Calcul de l’épaisseur de la paroi du tube intérieur.
• Calcul des dimensions des joints de dilatation (pour compenser la dilatation différentielle des parois de l’enveloppe et du tube due aux différences de température).
• Calcul de l’épaisseur de la tôle du tube.

Les calculs de conception mécanique peuvent aboutir à des épaisseurs de paroi ou à d’autres paramètres qui ne sont pas conformes à la conception géométrique définie à l’étape 4. Dans ce cas, une nouvelle proposition de géométrie doit être faite et les étapes 4 à 7 doivent être répétées.

Étape 8 : Préparation des plans de fabrication

Une fois toutes les dimensions de l’échangeur de chaleur définies, les plans de fabrication peuvent être préparés. Le dossier de dessins contient les détails des différents composants de l’échangeur de chaleur, y compris l’enveloppe, les tubes, les joints de dilatation, les connexions, etc.

 

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