Principes du transfert de chaleur

Introduction

Comme indiqué ici, le principe de base du transfert de chaleur est extrêmement simple : deux fluides à des températures différentes sont mis en contact avec une barrière conductrice (la paroi du tube) et la chaleur est transférée du fluide le plus chaud au fluide le plus froid jusqu’à ce qu’ils atteignent le même niveau de température. Dans les processus industriels, ce transfert s’effectue dans des échangeurs de chaleur de différents types et styles, généralement construits sur mesure pour le processus et les conditions du site de l’application.

Cette section traite des éléments clés de la théorie de l’échange de chaleur et de la conception des échangeurs de chaleur qui ne sont pas couverts par d’autres sections de la section Ressources.

Types de fluides

Les fluides pour les systèmes de produits et de services avec lesquels le concepteur d’échangeurs de chaleur doit travailler sont aussi variés que les processus qui utilisent les échangeurs de chaleur. Ils peuvent toutefois être classés en deux grandes catégories :

• Newtonien – Lorsque la propriété inhérente définie comme la viscosité est indépendante du taux de cisaillement dans le fluide.
• Non-newtonien – Lorsque la propriété inhérente définie comme la viscosité dépend du taux de cisaillement dans le fluide.

En termes simples, la viscosité effective d’un fluide newtonien ne dépend pas de la vitesse à laquelle il s’écoule dans un tuyau ou un tube, alors que c’est le cas pour un fluide non newtonien.

Outre la viscosité des fluides de travail, quatre autres propriétés revêtent une importance majeure dans la modélisation des performances de transfert de chaleur.

• Densité – la masse du fluide par unité de volume qui affecte directement la vitesse à laquelle les fluides s’écoulent dans un système.
• Chaleur spécifique – quantité de chaleur nécessaire à une masse donnée d’un fluide pour que la température change de 1°.
• Conductivité thermique – vitesse à laquelle la chaleur peut circuler dans un fluide.
• Chaleur latente – quantité de chaleur nécessaire à une masse donnée d’une substance pour changer d’état, c’est-à-dire pour fondre s’il s’agit d’un solide, geler s’il s’agit d’un liquide, s’évaporer s’il s’agit d’un liquide ou se condenser s’il s’agit d’un gaz.

Tout aussi importantes du point de vue opérationnel sont les caractéristiques de corrosion du fluide, qui influencent le choix final des matériaux de construction que le concepteur doit utiliser.

Il est particulièrement important d’identifier les fluides connus pour leur teneur élevée en chlorures, car ceux-ci peuvent provoquer des fissures par corrosion sous contrainte dans certaines qualités d’acier inoxydable, mais tout fluide à forte acidité ou alcalinité doit être vérifié par un métallurgiste expert pour confirmer l’adéquation du matériau. Dans des applications telles que le refroidissement des gaz d’échappement, il est important de vérifier l’absence de condensation sur la paroi du tube et la composition du gaz (ou du combustible) afin de vérifier si des acides se forment lorsque le gaz est refroidi. Si la condensation est confirmée et que le gaz ou le combustible contient des composés sulfurés, il convient de demander à nouveau l’aide d’un métallurgiste expert pour obtenir des conseils sur les matériaux appropriés.

Le but des soufflets d’expansion

La plupart des échangeurs de chaleur standard de la série HRS sont fabriqués en tant qu’unités à tubes fixes et sont normalement équipés d’un compensateur de dilatation multi-convolution à paroi mince (ou soufflet) pour permettre la dilatation différentielle entre le tube d’enveloppe et les tubes. Il est essentiel que le soufflet soit conçu correctement et HRS Heat Exchangers suit les recommandations de l’Expansion Joint Manufacturers Association (TEMA) of America.

Cela signifie que les conditions les plus défavorables de pression, de température et de dilatation différentielle sont identifiées (il peut s’agir d’un NEP ou d’une autre condition de non-fonctionnement) pour être utilisées dans les calculs de conception. TEMA insiste sur le fait que les échangeurs de chaleur ne sont pas destinés à servir de points d’ancrage pour la tuyauterie. Si le concepteur de la tuyauterie ne tient pas compte des dilatations et des contractions produites dans toutes les conditions opérationnelles et s’il les laisse imposer des charges externes aux connexions de l’échangeur de chaleur, les soufflets et les tuyauteries de buses peuvent être endommagés.

Connexions

Les raccordements constituent une partie importante de tout échangeur de chaleur, car ils assurent l’interface entre l’unité et la tuyauterie du système. Il est essentiel pour la sécurité et le bon fonctionnement de l’équipement que le type de connexion soit choisi avec soin pour satisfaire aux exigences de sécurité en matière de pression et de température de conception et aux exigences des clients en matière de commodité et d’adéquation au processus. Si un échangeur de chaleur doit être régulièrement démonté pour être nettoyé, les colliers à dégagement rapide peuvent être un choix plus approprié que les brides boulonnées.

Les brides et les différents types de colliers de serrage rapide proposés par les fournisseurs sont limités en termes de pression et de température de service. Quel que soit le type de raccord spécifié par l’utilisateur final (ou proposé par le concepteur), il est essentiel de vérifier la température et la pression nominales du raccord pour en confirmer l’acceptabilité. La compatibilité avec les procédés du joint ou du matériau d’étanchéité utilisé pour le raccordement doit toujours être vérifiée. Il existe une gamme de matériaux disponibles pour la plupart des types de raccords et le matériau choisi doit être adapté aux fluides utilisés.

La taille de la connexion est également importante. Elle est souvent spécifiée par l’installateur, mais le concepteur de l’échangeur de chaleur doit être conscient des implications des tailles choisies. Les considérations mécaniques influencent également le choix de la buse. Essentiellement, plus le trou dans l’enveloppe est grand, plus l’enveloppe s’affaiblit et, conformément aux règles applicables aux appareils à pression, l’effet d’affaiblissement doit être vérifié et, si nécessaire, un renforcement doit être ajouté dans la zone de la buse.

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