Principaux éléments d'un échangeur de chaleur

Définition de l'échangeur de chaleur

  L'échangeur de chaleur est un dispositif qui transfère une partie de la chaleur du fluide chaud au fluide froid, c'est-à-dire qu'un grand récipient fermé est rempli d'eau ou d'un autre milieu et que des tuyaux traversent le récipient.Laissez l'eau chaude s'écouler dans les tuyaux.

En raison de la différence de température entre l'eau dans le tuyau et l'eau chaude et froide dans le récipient, un échange de chaleur se produira.Pour le bilan thermique de la physique au collège, la chaleur à haute température est toujours transportée à basse température, de sorte que la chaleur de l'eau dans le tuyau puisse être échangée contre l'eau froide dans le récipient.Désert chauffant.

Classification et structure des échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur peuvent être divisés en :

Refroidisseur, condenseur, réchauffeur, échangeur de chaleur, rebouilleur, générateur de vapeur, chaudière à chaleur perdue (ou chaleur perdue).

Selon la méthode d'échange thermique, il peut être divisé en :

Échangeurs de chaleur à contact direct (également appelés échangeurs de chaleur hybrides), échangeurs de chaleur régénératifs et échangeurs de chaleur à parois de séparation.

Ce qui suit présente principalement les échangeurs de chaleur classés selon les méthodes d'échange de chaleur :

1) Échangeur de chaleur à contact direct

Les échangeurs à contact direct reposent sur le contact direct entre des fluides froids et chauds pour le transfert de chaleur.Cette méthode de transfert de chaleur évite la saleté et la résistance thermique sur la cloison de transfert de chaleur et sur les deux côtés.Tant que le contact entre les fluides est bon, le taux de transfert de chaleur sera plus élevé.

Par conséquent, les échangeurs de chaleur hybrides peuvent être utilisés partout où les fluides peuvent se mélanger les uns aux autres, comme le lavage et le refroidissement des gaz, le refroidissement par circulation d'eau, le chauffage mixte vapeur-eau, la condensation de vapeur, etc. Ses applications couvrent les entreprises chimiques et métallurgiques, l'ingénierie énergétique. , l'ingénierie de la climatisation et de nombreux autres secteurs de production.

Les échangeurs de chaleur hybrides couramment utilisés comprennent : les tours de refroidissement, les épurateurs de gaz, les échangeurs de chaleur à jet et les condenseurs hybrides.

2) Échangeur de chaleur régénératif

L'échangeur de chaleur régénératif est un dispositif utilisé pour l'échange de chaleur régénératif.Il est rempli d’une garniture solide pour stocker la chaleur.

Généralement, la grille coupe-feu est construite avec des briques réfractaires (parfois des bandes ondulées métalliques, etc.).

L'échange thermique s'effectue en deux étapes.

Dans un premier temps, les gaz chauds traversent la grille coupe-feu, transfèrent la chaleur à la grille coupe-feu et la stockent.

Dans la deuxième étape, le gaz froid traverse la grille coupe-feu et est chauffé en recevant la chaleur stockée dans la grille coupe-feu.

Ces deux phases se déroulent alternativement.Habituellement, deux régénérateurs sont utilisés en alternance, c'est-à-dire que lorsque le gaz chaud entre dans un appareil, le gaz froid entre dans l'autre.Il est souvent utilisé dans l'industrie métallurgique, comme le régénérateur des fours sidérurgiques à sole ouverte.

Il est également utilisé dans l’industrie chimique, comme les préchauffeurs d’air ou les chambres de combustion des fours à gaz, ainsi que les fours de craquage régénératif des usines pétrolières artificielles.

3) Échangeur de chaleur à cloison

Dans ce type d'échangeur thermique, les fluides chauds et froids sont séparés par un métal afin que les deux fluides ne se mélangent pas et ne transfèrent pas de chaleur.

Dans la production chimique, les fluides chauds et froids ne peuvent souvent pas entrer en contact direct, c'est pourquoi l'échangeur de chaleur à paroi de séparation est l'échangeur de chaleur le plus couramment utilisé.

Ce qui suit présente principalement la classification des échangeurs de chaleur à parois de séparation :

a) Échangeur de chaleur à gaine

Ce type d'échangeur de chaleur est réalisé en installant une enveloppe sur la paroi extérieure du conteneur et présente une structure simple ;cependant, sa surface de chauffe est limitée par la paroi du récipient et son coefficient de transfert thermique n'est pas élevé.

Afin d'améliorer le coefficient de transfert de chaleur et de chauffer uniformément le liquide dans la bouilloire, un agitateur peut être installé dans la bouilloire.

Lorsque de l'eau de refroidissement ou un agent de chauffage sans changement de phase est introduit dans l'enveloppe, des cloisons en spirale ou d'autres mesures visant à augmenter les turbulences peuvent également être installées dans l'enveloppe pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur sur un côté de l'enveloppe.

Afin de compenser le manque de surface de transfert de chaleur, des tubes enroulés peuvent également être installés à l'intérieur de la bouilloire.

Les échangeurs de chaleur à double enveloppe sont largement utilisés pour le chauffage et le refroidissement des processus de réaction.

b) Échangeur de chaleur à tube serpent

L'échangeur de chaleur à tube enroulé est en outre divisé en un échangeur de chaleur à tube enroulé immergé et un échangeur de chaleur à tube enroulé pulvérisé.

Les tubes serpent sont principalement constitués de tubes métalliques pliés dans diverses formes adaptées au récipient et immergés dans le liquide contenu dans le récipient.

Ses avantages sont les suivants : structure simple, peut résister à des pressions élevées et peut être fabriqué à partir de matériaux résistants à la corrosion.

Inconvénients : La turbulence du liquide dans le récipient est faible et le coefficient de transfert de chaleur à l'extérieur du tube est faible.

Fixez les tubes d'échange thermique en rangées sur le cadre en acier.

Du liquide chaud circule dans le tube et de l'eau de refroidissement est versée uniformément sur l'appareil.

Avantages : Le fluide chaud circule dans le tube et l'eau de refroidissement s'écoule uniformément au-dessus de l'appareil.Le coefficient de transfert de chaleur est grand, de sorte que l'effet de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur par pulvérisation est meilleur que celui de l'échangeur de chaleur à serpentin immergé.

Il faut cependant le placer à l’air libre.Il occupe une grande surface et l'eau éclabousse facilement l'environnement, ce qui la rend peu pratique à utiliser.

c) Échangeur de chaleur à gaine

Parce que la vitesse d'écoulement du fluide à l'intérieur du tube et à l'extérieur du tube est plus grande.Les fluides froids et chauds peuvent circuler à contre-courant pur, leur coefficient de transfert de chaleur est donc grand et l'effet de transfert de chaleur est bon.Le chauffage de l’eau couramment utilisé est un simple échangeur de chaleur à manchon.

d) Échangeur de chaleur à calandre et à tubes

Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes sont les échangeurs de chaleur à parois de séparation les plus courants.Ils ont une longue histoire d'application dans l'industrie et occupent toujours une position dominante parmi tous les échangeurs de chaleur.

L'échangeur de chaleur à calandre et à tubes se compose principalement d'une calandre, d'un faisceau de tubes, d'une plaque tubulaire et d'une tête.La coque est principalement ronde, avec des faisceaux de tubes parallèles à l'intérieur, et les deux extrémités du faisceau de tubes sont fixées sur la plaque tubulaire.

Il existe deux types de fluides qui échangent de la chaleur dans un échangeur de chaleur à calandre : l'un circule à l'intérieur du tube et sa course est appelée côté tube ;l'autre s'écoule à l'extérieur du tube et sa course est appelée côté coque.La surface de la paroi du faisceau de tubes constitue la surface de transfert de chaleur.

Afin d'améliorer le coefficient de transfert thermique du fluide à l'extérieur du tube, un certain nombre de chicanes transversales sont habituellement installées dans la calandre.

Les déflecteurs empêchent non seulement le fluide de court-circuiter et augmentent la vitesse du fluide, mais forcent également le fluide à s'écouler plusieurs fois à travers le faisceau de tubes selon le chemin prescrit, augmentant considérablement le degré de turbulence.Il existe deux déflecteurs couramment utilisés : de forme ronde et en forme de disque (comme le montre la figure ci-dessous).Le premier est plus largement utilisé.

Chaque fois que le fluide traverse le faisceau de tubes dans le tube, on parle de passage de tube, et chaque fois que le fluide traverse la coque, on parle de passage de coque.

Afin d'augmenter la vitesse du fluide dans le tuyau, des cloisons appropriées peuvent être installées dans les têtes aux deux extrémités pour diviser uniformément tous les tuyaux en plusieurs groupes.

De cette manière, le fluide ne peut traverser qu’une partie des tubes et retourner dans le faisceau de tubes plusieurs fois à la fois, ce qu’on appelle un passage multitube.

De même, afin d'augmenter le débit à l'extérieur du tube, des déflecteurs longitudinaux peuvent être installés dans la coque pour permettre au fluide de traverser plusieurs fois l'espace de la coque, ce qu'on appelle passage multi-coquille.

Dans un échangeur de chaleur à calandre et à tubes, en raison des différentes températures du fluide à l'intérieur et à l'extérieur du tube, les températures de la calandre et du faisceau de tubes sont également différentes.Si la différence de température entre les deux est importante, une contrainte thermique importante se produira à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, ce qui peut provoquer la flexion, la rupture ou le détachement des tubes de la plaque tubulaire.

Par conséquent, lorsque la différence de température entre le faisceau de tubes et la coque dépasse 50 °C, des mesures appropriées de compensation de la différence de température doivent être prises pour éliminer ou réduire la contrainte thermique.

Mode de rémunération :

Fixez un anneau d'expansion à la coque ou utilisez un échangeur de chaleur à tube en forme de U et un échangeur de chaleur à tête flottante.

➪ Échangeur de chaleur à plaques et tubes fixes

Lorsque la différence de température entre les fluides chauds et froids n’est pas importante, un échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes peut être utilisé.

Il a une structure simple et un faible coût, mais il est difficile à nettoyer et ne convient pas aux fluides sujets au tartre et aux fluides présentant de grandes différences de température.

Si la différence de température n’est pas très importante, un échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes avec un anneau de compensation peut être utilisé.

e) Échangeur de chaleur à plaques

L'échangeur de chaleur à plaques est composé d'un ensemble de plaques de transfert de chaleur rectangulaires en métal mince, qui sont serrées et assemblées sur le support avec un cadre.

Les bords de deux plaques adjacentes sont garnis de joints (constitués de divers caoutchoucs ou d'amiante comprimé, etc.) pour la compression.Il y a des trous ronds aux quatre coins des plaques pour former des canaux de fluide.

La différence entre l'échangeur de chaleur à plaques et l'échangeur de chaleur à calandre :

a. Coefficient de transfert de chaleur élevé

Étant donné que différentes plaques ondulées sont inversées les unes avec les autres pour former un canal d'écoulement complexe, le fluide s'écoule de manière tridimensionnelle en rotation dans le canal d'écoulement entre les plaques ondulées, ce qui peut produire un écoulement turbulent à un faible nombre de Reynolds (généralement Re = 50). ~ 200), le transfert de chaleur est donc élevé. Le coefficient est généralement considéré comme étant 3 à 5 fois supérieur à celui du type calandre et tube.

b.La différence de température moyenne logarithmique est grande et la différence de température terminale est faible.

Dans l’échangeur de chaleur à calandre et à tubes, les deux fluides s’écoulent respectivement côté tube et côté calandre.D'une manière générale, le flux est croisé et le coefficient de correction logarithmique de la différence de température moyenne est faible.Cependant, l'échangeur de chaleur à plaques a généralement un mode d'écoulement à co-courant ou à contre-courant., et son coefficient de correction est généralement d'environ 0,95.De plus, la circulation des fluides froids et chauds dans l'échangeur thermique à plaques est parallèle à la surface d'échange thermique et il n'y a pas de flux latéral.Par conséquent, la différence de température à l’extrémité de l’échangeur de chaleur à plaques est faible et l’échange de chaleur avec l’eau peut être inférieur à 1 ℃, tandis que les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes sont généralement de 5 ℃.

c.Petite empreinte

L'échangeur de chaleur à plaques a une structure compacte et la surface d'échange thermique par unité de volume est 2 à 5 fois supérieure à celle du type à calandre et tube.Contrairement au type à calandre et à tubes, qui nécessite un espace de maintenance réservé pour extraire le faisceau de tubes, l'échangeur thermique à plaques peut réaliser le même transfert de chaleur.La surface occupée par l'échangeur de chaleur est d'environ 1/5 ~ 1/8 de l'échangeur de chaleur à calandre et à tubes.

d.Modification facile de la zone d'échange thermique ou de la combinaison de processus

Tant que quelques plaques sont ajoutées ou retirées, la surface d'échange thermique peut être augmentée ou réduite ;en modifiant la disposition des plaques ou en remplaçant quelques plaques, la combinaison de processus requise peut être obtenue et adaptée aux nouvelles conditions d'échange thermique.Il est presque impossible d'augmenter la surface de transfert de chaleur des échangeurs de chaleur à calandre

E. Poids léger

L'épaisseur des plaques de l'échangeur de chaleur à plaques n'est que de 0,4 à 0,8 mm, tandis que l'épaisseur des tubes d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur à calandre et à tubes est de 2,0 à 2,5 mm.La coque du type calandre et tube est beaucoup plus lourde que le cadre de l'échangeur de chaleur à plaques., Les échangeurs de chaleur à plaques ne représentent généralement qu'environ 1/5 du poids des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes.

F.Bas prix

Utilisant les mêmes matériaux et la même surface d'échange thermique, le prix des échangeurs de chaleur à plaques est d'environ 40 à 60 % inférieur à celui des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes.

g.Facile à faire

Les plaques de transfert de chaleur des échangeurs de chaleur à plaques sont estampées et traitées avec un degré élevé de standardisation et peuvent être produites en grande quantité.Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes sont généralement fabriqués à la main.

h.Facile à nettoyer

Tant que les boulons de compression de l'échangeur thermique à plaques de type cadre sont desserrés, les faisceaux de plaques peuvent être desserrés et les plaques peuvent être retirées pour un nettoyage mécanique.Ceci est très pratique pour le processus d'échange thermique qui nécessite un nettoyage fréquent de l'équipement.

je.Petite perte de chaleur

Dans les échangeurs de chaleur à plaques, seule la plaque d'enveloppe de la plaque de transfert de chaleur est exposée à l'atmosphère, de sorte que la perte de dissipation thermique est négligeable et aucune mesure d'isolation n'est requise.Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes ont des pertes de chaleur importantes et nécessitent une isolation thermique.

j.Petite capacité

Il représente 10 % à 20 % de l’échangeur de chaleur à calandre et à tubes.je.La perte de pression par unité de longueur est importante.Étant donné que l'écart entre les surfaces de transfert de chaleur est petit et que les surfaces de transfert de chaleur sont concaves et convexes, la perte de pression est supérieure à celle des tubes lisses traditionnels.

k.Pas facile à mettre à l'échelle

En raison d'une turbulence interne suffisante, il n'est pas facile à mettre à l'échelle et son coefficient d'échelle n'est que de 1/3 à 1/10,k de celui d'un échangeur de chaleur à calandre et à tubes.La pression de service ne doit pas être trop élevée et la température du fluide ne doit pas être trop élevée, car cela pourrait provoquer une fuite de l'échangeur de chaleur à plaques.L'échangeur de chaleur est scellé avec un joint, la pression de service ne doit généralement pas dépasser 2,5 MPa et la température du fluide doit être inférieure à 250 °C, sinon une fuite pourrait se produire.

l.Facilement bloqué

Étant donné que les canaux entre les plaques sont très étroits, généralement seulement 2 à 5 mm, lorsque le fluide caloporteur contient des particules ou des substances fibreuses plus grosses, il est facile de bloquer les canaux entre les plaques.