Le principe de l’échangeur tubulaire
Un échangeur tubulaire est un type d’échangeur de chaleur à tubes et à calandre. C’est un appareil fortement répandu dans l’industrie dont l’objectif principal est la récupération de chaleur sur gaz ou sur liquide.
Le principe de l’échangeur de chaleur tubulaire repose sur un faisceau de tubes qui est disposé verticalement ou bien horizontalement à l’intérieur d’une enveloppe que l’on nomme la calandre.
Un échangeur tubulaire fonctionne grâce à un échange de chaleur entre 2 fluides. D’une part le fluide dit « chauffant » et d’autre part le fluide dit « chauffé ». Ces deux fluides circulent à co-courants, à contre-courants ou encore à courant croisés au sein de l’échangeur, l’un à l’intérieur des tubes et l’autre à l’intérieur de la calandre.
Les fluides peuvent être de diverses natures et l’échangeur tubulaire peut permettre un échange :
Gaz/gaz, liquide/ liquide, liquide/ gaz … etc.
L’échangeur tubulaire est également composé de chicanes qui sont placées à l’intérieur de la calandre dans le but d’améliorer le transfert mais aussi de créer des turbulences dans les fluides. De même, l’échangeur de chaleur tubulaire est doté de boîtes de distribution pour permettre la bonne circulation du fluide dans le faisceau de tubes.
Les catégories d’échangeurs tubulaires
Il existe différentes catégories d’échangeurs tubulaires en fonction de l’application pour laquelle il est recherché par l’utilisateur :
Le condenseur : dans cette configuration, le but de l'échangeur va être de permettre la transformation d'un gaz en liquide. L’échangeur va donc, comme son nom l’indique, avoir pour rôle de condenser de la vapeur sur une surface froide.
Le condenseur est donc un système frigorifique qui va permettre un échange de chaleur entre un fluide réfrigérant et un milieu extérieur, assurant le changement d’état du fluide à pression constante puis sa désurchauffe ainsi que son sous refroidissement.
De cette manière le fluide sort du condenseur à l’état liquide et non plus gazeux.
Le refroidisseur : cette fois le rôle de l’échangeur est de refroidir un liquide.
Le bouilleur : c’est un procédé notamment utilisé dans les unités de distillation car l’objectif principal est d’effectuer une vaporisation partielle des fonds de colonnes de distillation. On vaporise un mélange de liquides ou bien un mélange de liquides et de solides. Ce procédé est aussi utilisé pour le chauffage.
Le réchauffeur : capable de fonctionner dans des conditions extrêmes, le refroidisseur dans les industries a pour but de réchauffer un volume de liquide ou des gaz.
L’évaporateur : son but est de concentrer une solution grâce à un apport d’énergie pour réaliser un changement d’état de la phase liquide à la phase gazeuse.
Le cristalliseur : dans cette dernière configuration l’échangeur va permettre d’isoler un produit pour pouvoir le récupérer sous une forme solide.
Le dimensionnement d’un échangeur tubulaire
La première phase du processus de dimensionnement de l’appareil est celle du choix de la technologie la plus adaptée en fonction du client. En effet, on prend ainsi en compte le rôle que jouera l’échangeur au sein de l’industrie, la place qu’il prendra, le type de fluides, les pressions ou encore les températures.
Une fois que cela est défini il faut ensuite déterminer la puissance thermique de l’échangeur tubulaire et calculer la surface d’échange thermique nécessaire.
Par la suite il est primordial de mesurer la perte de charge admissible, c’est-à-dire, la perte d’énergie que subit un fluide en mouvement.
Une fois que les plans de construction sont prêts l’échangeur de chaleur tubulaire est envoyé en fabrication.
Les échangeurs tubulaires sont notamment fabriqués en acier inoxydable, Duplex, Uranus, alliage nickel ou en Incoloy.
Les avantages et les inconvénients de l’échangeur tubulaire
Tout d’abord, le tubulaire est un échangeur extrêmement robuste et fiable. C’est un équipement industriel en inox qui est apte à résister à de fortes pressions mais aussi à de températures extrêmes. De plus, le tubulaire peut être utilisé en condensation partielle. Enfin, cet échangeur est opérationnel avec des fluides de différentes natures et s’adapte ainsi à des différentes applications.
Bien que le tubulaire présente de nombreux avantages, il est cependant un équipement encombrant, il est donc primordial de penser à la place que ce dernier occupera au sien de l’industrie. En effet, les échangeurs tubulaires sont des équipements qui peuvent mesurer plusieurs dizaines de mètres de long.
De plus, le risque de dépôt au sein de l’échangeur tubulaire est à prendre en compte, tout comme le fait que son inspection ne soit pas aisée car le plus souvent il est doté de grands tubes qu’il faut intégralement sortir de l’appareil pour pouvoir les nettoyer.
Les domaines d’application de l’échangeur tubulaire
Les échangeurs dits « tubulaires » sont des équipements adaptés à tous les secteurs industriels tels que : la chimie, la pétrochimie, la pharmacie, l’agroalimentaire, la sucrerie, la distillerie ou encore l’énergie.
