Documentation
Glossaire des termes liés aux échanges thermiques, vous trouverez ici tout ce qu’il faut savoir sur les échanges thermiques.
AIR
Lorsque l’air est le produit ou le fluide de service d’un échangeur de chaleur, il est important de connaître la base sur laquelle le débit d’air est mesuré.
Les bases communes de mesure sont les suivantes :
- Mètres cubes par heure [m³/hr]
- Pieds cubes par minute [cfm]
- Kg par heure [kg/hr]
- Livres par heure [lb/hr]
Les points de référence couramment utilisés pour les mesures de volume sont les suivants :
- Volume mesuré dans des « conditions normales ». [St.m³/hr] [scfm]
- Volume mesuré à l’aspiration du compresseur [m³/hr] [cfm]
- Volume mesuré au refoulement du compresseur [m³/hr réel] [acfm]
Les « conditions standard » [1] sont définies comme étant à une température de 20ºC et à une pression de 1,013 Bar.Abs. Les volumes d’aspiration ou « réels » [2] et [3] sont mesurés à la température et à la pression du point de mesure.
Les calculs de conception thermique sont toujours effectués en utilisant le débit massique des fluides. Ainsi, lorsque l’on utilise de l’air [ou tout autre gaz], il est important de calculer le débit massique en utilisant les densités applicables aux conditions de volume spécifiées et la densité de l’air [ou du gaz] dans les conditions d’entrée/sortie de l’échangeur de chaleur, à la pression et aux températures de travail.
ASME BPE
La norme ASME BPE définit la qualité des composants nécessaires à l’industrie pharmaceutique. Elle est obligatoire sur le marché américain, mais l’industrie pharmaceutique dans son ensemble reconnaît la norme et spécifie souvent son utilisation.
Les deux principaux facteurs spécifiés par la norme sont les suivants :
- L’état de surface requis pour les surfaces mouillées
- Les tolérances de fabrication qui doivent être respectées pour les composants (tels que les diamètres internes des viroles), y compris la précision des processus d’usinage et la tolérance diamétrale.
ASME VIII DIVISION 1
ASME VIII Division 1 est le code de conception américain pour les récipients sous pression à usage industriel non soumis à la flamme.
Il s’agit d’un code de conception bien établi et largement accepté, en particulier dans les industries à dominante américaine telles que la production et le traitement du pétrole, mais certains ingénieurs estiment que son approche est assez conservatrice et qu’il a pris du retard par rapport aux codes européens tels que l’EN 13445, qui ont été rédigés sur la base des connaissances et de l’expérience européennes les plus récentes.
Il est important de noter que la norme ASME VIII Div.1 ne peut être utilisée que pour les appareils à pression (y compris les échangeurs de chaleur) dont le diamètre de l’enveloppe est supérieur (et inclus) à 6 pouces (168,3 mm) de diamètre. En dessous de ce diamètre, le code n’est pas valable.
Il s’agit de deux façons très différentes de travailler avec ASME VIII Div.1 :
- Pour être ENTIÈREMENT conforme à la norme ASME VIII Div.1, le récipient sous pression doit non seulement être conçu mécaniquement en utilisant les formules du code, les normes relatives aux matériaux, etc., mais il DOIT également être fabriqué dans un atelier approuvé par l’inspectorat de l’ASME et autorisé à apposer le cachet « U » de l’ASME, qui est l’équivalent de la marque européenne CE en matière de garantie de la qualité.
- L’appareil à pression peut être conçu mécaniquement à l’aide des formules ASME VIII Div.1, mais fabriqué à l’aide de matériaux européens standard et dans un atelier non agréé par l’ASME. Dans ce cas, le « U » de l’ASME ne peut pas être appliqué.
En réalité, seuls les appareils à pression exportés vers certains États américains DOIVENT porter le cachet « U ». Les autres pays qui utilisent le code ASME VIII Div.1 le font par commodité et renoncent souvent (mais pas toujours) à la nécessité d’un atelier agréé.
ATEX
ATEX est un système de classification pour les environnements explosifs classés conformément aux directives européennes 94/9/CE et 99/92/CE.
À moins qu’un échangeur de chaleur à calandre soit susceptible d’accumuler de l’électricité statique (ce qui est possible dans certaines circonstances), il n’y a rien à faire, mais si l’électricité statique est possible, un bossage de mise à la terre doit être soudé quelque part, généralement sur un support de pied ou une bride, de sorte que l’unité puisse être mise à la terre électriquement.
Si des radiateurs ou des tours de refroidissement à air sont fournis, les moteurs, les ventilateurs et toutes les commandes doivent être certifiés ATEX en fonction de la catégorie de danger et de la directive correspondante.
AZEOTROPE
Également connu sous le nom de mélange à ébullition constante, un azéotrope est un mélange de deux liquides ou plus dans un rapport tel que la composition ne peut être modifiée par la distillation. Si l’on fait bouillir un tel mélange, la vapeur aura la même composition que le liquide.
Un azéotrope typique bien connu est un mélange de 96 % d’éthanol et de 4 % d’eau dont le point d’ébullition est de 78,2 °C, soit un point d’ébullition inférieur à celui de l’un ou l’autre de ses constituants.
Du point de vue des concepteurs d’échangeurs de chaleur, il est très important d’identifier correctement ces fluides et d’obtenir les données appropriées avant d’effectuer les calculs de transfert de chaleur.
CHALEUR LATENTE D’ÉVAPORATION
Il s’agit de l’apport de chaleur isotherme (à température constante) nécessaire pour obtenir un changement d’état de liquide à vapeur à la même température.
À la température atmosphérique, l’eau bout à 100 °C et la chaleur nécessaire pour changer son état est de 2256,66 kJ/kg.
À 10 Bar(g), cette valeur tombe à 1999,67 kJ/kg. Il est donc important, lors de la conception d’équipements impliquant des processus d’évaporation (cf.) ou de condensation (cf.), d’obtenir la pression et la température correctes pour le processus.
CHALEUR SPÉCIFIQUE
C’est le paramètre utilisé pour décrire la quantité d’énergie nécessaire pour élever d’un degré une masse donnée d’une substance (solide, liquide ou gazeuse).
Les unités du système international SI sont J/g.K. C’est le nombre de joules nécessaires pour faire passer 1 kg de matière à 1ºK. Pour l’eau à 20ºC, cette valeur est de 4,1841 J/g.K à 1,0 Bar(abs).
- SI vers métrique = [ SI / 4,1868 ] kcal/kg.ºC
- SI vers Impérial = [ SI / [ 4,1868 ] Btu/lb.ºF
CIP
Le NEP ou nettoyage en place est souvent utilisé pour nettoyer les échangeurs de chaleur.
Dans les industries alimentaires et pharmaceutiques, cette opération est généralement réalisée en faisant passer une solution acide à faible concentration dans l’échangeur de chaleur sur le circuit du produit, suivie d’une solution alcaline pour neutraliser l’acide, puis d’un rinçage à l’eau claire pour éliminer tout résidu de la solution.
La vitesse des solutions CIP est généralement de 1,5 m/s afin d’obtenir un nettoyage efficace à une température de 85°C à 90°C.
Le nettoyage CIP peut parfois être précédé d’un processus de raclage (cf.) afin de maximiser la quantité de produit retirée de l’échangeur de chaleur avant le début du nettoyage.
Le nettoyage CIP est souvent suivi d’un processus de stérilisation (cf.) afin de s’assurer que les éventuels résidus ou bactéries persistants sont neutralisés. La stérilisation est généralement effectuée en augmentant la température de tous les composants à au moins 140°C et en les maintenant pendant une courte période à cette température. Le concepteur du processus doit spécifier la température et la durée pour chaque produit traité.
CLAMPS
Dans les industries alimentaires et pharmaceutiques, la propreté et l’hygiène sont d’une importance vitale et il est normal que les échangeurs de chaleur soient régulièrement nettoyés et inspectés. Pour faciliter le retrait et la reconnexion, il est normal dans ces industries d’utiliser des bagues hygiéniques qui sont scellées par un joint en élastomère, la pression d’étanchéité étant assurée par un collier en forme de V monté sur des bagues en forme de coin.
Différents styles de colliers sont disponibles dans le commerce, certains étant approuvés par le TÜV et l’ASME, et le concepteur doit choisir le style et le type qui conviennent à l’application et aux pressions et températures de travail spécifiées pour l’équipement.
La plupart des colliers sont équipés d’écrous à oreilles en acier inoxydable pour serrer le collier, mais pour les applications à haute pression, il est parfois conseillé d’utiliser un écrou en bronze pour faciliter le serrage contre la haute pression et éviter le grippage acier inoxydable contre acier inoxydable qui peut se produire si le filetage du ou des boulons n’est pas lubrifié.
Des fabricants tels que Stahlcon (Allemagne) ou Advanced Couplings (Royaume-Uni) disposent d’une large gamme de colliers approuvés et publient les capacités de pression et de température pour chaque type. Alfa Laval fournit également des colliers (colliers « Tri-Clover » de marque déposée), mais ceux-ci doivent être évités dans la mesure du possible, car ils sont normalement plus chers que les autres fournisseurs et ont des capacités de pression très limitées.
CODES DE CONCEPTION
Les différents codes de conception mécanique élaborés par les autorités nationales sont communément appelés « codes de conception ». Il s’agit principalement de codes nationaux, spécifiques aux équipements destinés à être fournis à un utilisateur final sur le territoire national, mais certains ont été acceptés au niveau international.
Les codes nationaux les plus couramment spécifiés sont les suivants
- AD 2000 Merkblätter Allemagne
- AS1210 Australie
- ASME VIII Division 1 États-Unis d’Amérique
- PD5500 Royaume-Uni
- Code suédois des appareils à pression Suède
- Stoomwesen Pays-Bas
Certains codes sont acceptés au niveau international :
- ASME VIII Division 1 États-Unis d’Amérique
- EN13445 Union Européenne
D’autres codes précisent non seulement la manière dont les appareils à pression doivent être conçus, mais aussi les qualifications de fabrication et les procédures d’approbation de la conception qui doivent être adoptées.
Les exemples de ce type sont les suivants :
- GOST Fédération de Russie
- Code chinois des appareils à pression Chine
Des codes de conception d’un autre type sont également utilisés, en particulier dans l’industrie alimentaire, qui spécifient des caractéristiques de conception plutôt que des épaisseurs de métal.
Voici quelques exemples de ce type de code :
- EHEDG (Hygiène des équipements alimentaires) Union Européenne
- 3A (Hygiène des équipements alimentaires) USA
- TEMA (échangeurs de chaleur de type raffinerie) USA
CONCEPTION DE DÉFLECTEUR
La conception des deflecteurs doit être décidée pendant la phase de conception thermique de la sélection de l’échangeur de chaleur, car l’ajout de deflecteurs, le pourcentage de coupe des deflecteurs utilisé et la distance entre les deflecteurs influencent le transfert de chaleur du côté de l’enveloppe de l’échangeur de chaleur.
Si les déflecteurs sont très rapprochés, le premier et le dernier doivent être fixés à une distance d’environ 50 mm du raccordement, vers le centre de l’échangeur thermique. Lorsque l’espacement des déflecteurs est plus important, il est normalement plus pratique d’avoir un espacement égal pour tous les déflecteurs.
Un type de déflecteur qui n’est normalement pas utilisé mais qui peut être utile dans certaines applications de conception d’échangeurs de chaleur de grand diamètre est le déflecteur « double segment », dans lequel le pourcentage total de coupe du déflecteur est obtenu en coupant la partie centrale d’un déflecteur, puis deux segments à 180° l’un de l’autre dans le déflecteur adjacent. Les détails de ce type de deflecteur se trouvent dans la section 5.4.1 de TEMA. Ce type de déflecteur est particulièrement utile pour réduire la perte de charge côté calandre, car la perte sera égale à la moitié de la perte produite par les déflecteurs à segment unique.
CONDUCTIVITÉ THERMIQUE
La conductivité thermique – normalement notée k – est la capacité d’un matériau à conduire la chaleur et apparaît principalement dans la loi de Fourier pour la conduction de la chaleur.
Le transfert de chaleur à travers les matériaux à haute conductivité thermique se produit à une vitesse plus élevée qu’à travers les matériaux à faible conductivité thermique.
L’acier inoxydable est normalement utilisé par XLG pour les tubes et l’enceinte de confinement. Bien que ce matériau ait une résistance thermique relativement élevée – faible conductivité thermique – sa solidité et sa résistance à la corrosion permettent d’utiliser des sections de matériau plus minces, ce qui limite la résistance thermique globale.
CONNEXIONS
Pour qu’un échangeur de chaleur fonctionne dans un système, il est nécessaire de le relier aux autres composants du système par un type de raccordement approprié (parfois appelé buse ou dérivation).
Le concepteur de l’échangeur de chaleur doit prendre plusieurs décisions concernant les raccordements et doit tenir compte des exigences du concepteur du système.
- Diamètre – le diamètre du raccord détermine la vitesse du fluide qui le traverse pour entrer dans les tubes ou dans l’enveloppe. La perte de pression dans le fluide sera fonction du changement de vitesse du fluide lors de cette transition et, en particulier dans les applications de condensation de vapeur, cette perte de pression doit être calculée pour déterminer les effets (le cas échéant) sur le processus.
- De même, le changement de vitesse lorsque le fluide sort des tubes ou du faisceau de tubes vers la connexion de sortie entraînera une perte de pression qui doit également être calculée.
- Les pertes de pression sont souvent le facteur déterminant dans le choix du diamètre de raccordement approprié, mais dans les applications impliquant de la condensation, la vitesse maximale de la vapeur à travers le raccordement doit se situer dans les limites recommandées pour la vapeur.
- Type de raccord – le type de raccord à utiliser dépendra principalement des exigences du concepteur du système, mais quel que soit le type spécifié, le concepteur de l’échangeur de chaleur doit confirmer qu’il sera utilisé dans les limites de ses capacités en termes de pression et de température et qu’un joint d’étanchéité approprié sera utilisé.
- Ces raccords peuvent être des brides PN, des bagues et des colliers hygiéniques, des raccords vissés tels que RJT ou SMS ou des raccords vissés internes tels que BSP (britannique) ou NTP (américain).
- Raccordements à la coque – il existe trois types principaux de formation de soudure qui sont couramment utilisés pour les raccordements en acier inoxydable à paroi mince :
Le tuyau de raccordement est façonné en fonction de la courbure de la coque et soudé sur un trou dans la coque qui est égal au diamètre intérieur du tuyau de raccordement. Une soudure à pénétration totale est utilisée pour fixer le tuyau à la coque.
En place – le tuyau de raccordement est façonné en fonction de la courbure de la coque et soudé dans un trou de la coque dont le diamètre extérieur est égal à celui du tuyau de raccordement. Le tuyau de raccordement peut dépasser de la paroi de la coque et une soudure d’angle est utilisée pour fixer le tuyau à la coque.
Formé localement – la coque est déformée mécaniquement vers l’extérieur de manière à ce que la section déformée ait le même diamètre extérieur que le tuyau de raccordement. Une soudure bout à bout à pleine pénétration est utilisée pour fixer le tuyau de raccordement à l’enveloppe. Ce type de soudure n’est recommandé que lorsque le diamètre du raccordement est relativement faible par rapport au diamètre de la coque et lorsque les épaisseurs respectives des métaux sont similaires. Il faut savoir qu’il existe une zone de contrainte très élevée dans le tuyau de raccordement en raison de la déformation et que, dans des conditions corrosives, cela peut entraîner une défaillance prématurée.
CONTAMINATION DE L’AIR, ACCUMULATION ET VENTILATION
L’oxygène peut poser un problème dans les chaudières à combustion, de sorte que les opérateurs de chaudières veillent à désoxygéner l’eau d’alimentation de la chaudière et à minimiser autant que possible les fuites d’air dans le système. Dans des conditions de travail normales, il est toutefois impossible de rendre un système de vapeur étanche et il y aura presque inévitablement une petite quantité d’air dans les flux de vapeur. Même les systèmes à haute pression souffrent d’une migration de l’air dans les conduites d’alimentation à travers les tiges de vannes, les joints, etc.
S’il y a de l’air entraîné dans le flux de vapeur vers un échangeur de chaleur, l’effet sera de réduire le coefficient de condensation par l’inhibition du flux de chaleur. Dans les équipements tels que les condenseurs à évent et les autoclaves, la teneur en air sera probablement importante, à moins que le récipient ne soit évacué avant le début du processus d’évacuation de la vapeur.
Il est donc important de prendre en compte la nécessité d’installer un raccord d’évent dans tout condenseur de vapeur situé dans une zone où une accumulation de gaz non condensable est possible.
CONTAMINATION DE L’AIR, ACCUMULATION ET VENTILATION
L’oxygène peut poser un problème dans les chaudières à combustion, de sorte que les opérateurs de chaudières veillent à désoxygéner l’eau d’alimentation de la chaudière et à minimiser autant que possible les fuites d’air dans le système. Dans des conditions de travail normales, il est toutefois impossible de rendre un système de vapeur étanche et il y aura presque inévitablement une petite quantité d’air dans les flux de vapeur. Même les systèmes à haute pression souffrent d’une migration de l’air dans les conduites d’alimentation à travers les tiges de vannes, les joints, etc.
S’il y a de l’air entraîné dans le flux de vapeur vers un échangeur de chaleur, l’effet sera de réduire le coefficient de condensation par l’inhibition du flux de chaleur. Dans les équipements tels que les condenseurs à évent et les autoclaves, la teneur en air sera probablement importante, à moins que le récipient ne soit évacué avant le début du processus d’évacuation de la vapeur.
Il est donc important de prendre en compte la nécessité d’installer un raccord d’évent dans tout condenseur de vapeur situé dans une zone où une accumulation de gaz non condensable est possible.
CORING
Dans les applications impliquant des fluides dont la viscosité varie fortement dans la gamme des températures de fonctionnement, il existe un problème potentiel dans la mesure où la viscosité des couches limites du fluide diffère considérablement de la viscosité du fluide au centre du tube. Dans les applications de refroidissement, la résistance visqueuse à la paroi du tube risque de ralentir l’écoulement du fluide, alors que la viscosité plus faible au centre du tube permettra au « noyau » central de s’écouler à une vitesse plus élevée.
Ce phénomène est connu sous le nom de carottage et est plus probable avec les tubes de grand diamètre qu’avec les tubes de petit diamètre. Il peut être combattu en installant du ruban torsadé ou d’autres inserts améliorant les turbulences dans les tubes, mais cela entraîne généralement une perte de pression. Les tubes ondulés tendent à minimiser le risque de corrosion tout en réduisant la perte de pression, car ils créent une plus grande turbulence au niveau de la paroi du tube et favorisent le mélange du fluide.
CORROSION
Les échangeurs de chaleur standard XLG sont fabriqués en acier inoxydable AISI 304 et/ou AISI 316 pour toutes les surfaces mouillées et non mouillées. Ces aciers inoxydables austénitiques présentent une bonne résistance à la corrosion pour la plupart des fluides, mais ils sont susceptibles d’être corrodés par certaines substances chimiques et par d’autres mécanismes que le concepteur de l’échangeur de chaleur doit prendre en compte.
La corrosion fissurante sous contrainte est probablement la cause la plus fréquente de défaillance par corrosion des aciers inoxydables austénitiques et elle est le plus souvent (mais pas exclusivement) causée par des solutions de chlorure. Pour souffrir de cette forme de corrosion, il faut non seulement qu’il y ait un pourcentage suffisant de chlorures en solution en contact avec les surfaces métalliques, ce qui dépend de la température, mais aussi que le composant soit soumis à des contraintes. Elle est facilement identifiable par l’apparition de petites fissures aux limites des grains métalliques, qui peuvent être détectées par ressuage ou par un examen visuel à fort grossissement. S’il n’est pas possible d’éliminer la source des chlorures, il faut changer de matériau pour un alliage plus résistant.
Une autre forme de corrosion affectant les aciers inoxydables est la corrosion par érosion qui, comme son nom l’indique, se produit lorsque les surfaces résistantes à la corrosion de l’acier inoxydable sont érodées par un fluide contenant un élément érosif (tel que du tartre de corrosion provenant de composants en acier au carbone ou des bulles d’air) qui percute la surface à grande vitesse. Cette forme de corrosion produit des piqûres en forme de fer à cheval dans le métal, visibles à l’œil nu.
Les aciers inoxydables austénitiques reposent sur la formation d’un film d’oxyde dur sur les surfaces métalliques pour empêcher la corrosion du métal sous-jacent. Ils sont, dans une certaine mesure, auto-réparateurs en ce sens que si le film d’oxyde est enlevé (érodé), il se reformera tant qu’il y aura de l’oxygène dans le fluide en contact avec le métal. Une autre forme d’échec de la corrosion peut toutefois se produire si la présence d’oxygène est inhibée par la formation de couches de limon ou de tartre sur certaines parties des composants de l’échangeur de chaleur. Ces couches peuvent épuiser l’oxygène présent dans les parties couvertes et créer ainsi une cellule d’aération différentielle qui provoquera la corrosion du métal. Une autre forme de corrosion se produit parfois en raison de la contamination des surfaces en acier inoxydable par des particules (souvent microscopiques) d’acier au carbone. Cette contamination peut provenir de diverses sources, mais elle résulte généralement du stockage ou du travail (soudage, usinage, forgeage, etc.) d’aciers au carbone dans la même zone que les composants en acier inoxydable. Elle se caractérise par des taches sombres à la surface de l’acier inoxydable et de minuscules fissures superficielles sous les taches. Cette corrosion peut être évitée le plus facilement en assurant une bonne séparation des zones de travail de l’acier au carbone et de l’acier inoxydable, mais s’il est impossible d’empêcher la contamination, les surfaces en acier inoxydable doivent être décapées (cf.) et passivées (cf.) pour protéger les surfaces.
COTE DE LA BRIDE
Chaque norme de bride qui spécifie le diamètre et l’épaisseur de la bride, le diamètre, le nombre et le diamètre nominal des boulons et, le cas échéant, le diamètre de la face surélevée, spécifie également les conditions de pression et de température maximales pour lesquelles la bride peut être utilisée.
Si la bride doit être utilisée en toute sécurité, il est essentiel de consulter les normes relatives aux brides pour s’assurer qu’une bride correctement dimensionnée est utilisée et que les normes de boulonnage sont respectées.
COU DE CYGNE
Lorsqu’il est nécessaire de refroidir les vapeurs de condensation en dessous de leur température de saturation, il est parfois pratique de condenser et de sous-refroidir dans le même échangeur de chaleur.
Pour ce faire, un niveau de liquide doit être établi dans l’échangeur de chaleur (de préférence monté verticalement), ce qui peut être réalisé de deux manières :
- Un système de contrôle du niveau de liquide peut être monté sur des raccords installés sur le tuyau d’enveloppe.
- En utilisant un raccord de sortie de condensat en col de cygne qui ne nécessite aucun contrôle mais qui assure le refroidissement du condensat.
Comme il ne nécessite aucune commande, le système à col de cygne est simple et sans entretien.
COUPE DES DÉFLECTEURS
Il s’agit du pourcentage de la chicane, exprimé en diamètre de chicane, qui est découpé pour permettre le passage du fluide sur la chicane et le diriger de haut en bas (ou d’un côté à l’autre) à travers le faisceau de tubes.
La coupe minimale normalement utilisée est de 25 % du diamètre et la coupe maximale recommandée est de 45 % afin d’assurer un soutien adéquat du déflecteur.
Le logiciel de conception thermique calcule la vitesse du fluide à travers la partie coupée (appelée fenêtre du déflecteur) et la perte de pression qui en résulte. Si une réduction de la perte de pression est nécessaire, la diminution de cette vitesse par l’augmentation de la coupe du déflecteur permet souvent d’obtenir le résultat souhaité.
DÉCAPAGE
Le décapage des aciers inoxydables est une procédure de nettoyage utilisée avant la passivation pour s’assurer que les surfaces en acier inoxydable sont exemptes de tous les contaminants tels que l’huile ou la graisse, les particules de fer, etc. après l’achèvement de tous les processus d’usinage et de soudage.
Certaines de ces pâtes contiennent également des solutions de passivation qui permettent de réaliser le décapage et la passivation en une seule étape.
DEFLECTEURS
Les deflecteurs sont utilisées pour deux raisons dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire :
- Diriger l’écoulement du fluide à travers le faisceau de tubes afin d’augmenter la vitesse du fluide, de créer plus de turbulences et donc un coefficient de transfert de chaleur plus élevé.
- Pour soutenir des tubes qui autrement s’affaisseraient sous leur propre poids, en tenant compte du poids du fluide qu’ils contiennent.
L’espacement minimal et maximal des deflecteurs, les épaisseurs minimales, le nombre et le diamètre des tirants et les dégagements maximaux des trous de tubes sont spécifiés dans la section 5.4.1 de TEMA et, bien qu’ils ne soient pas obligatoires, ils représentent une large expérience dans la conception des échangeurs de chaleur et il est généralement pratique de suivre ces lignes directrices.
Il est important de noter que le programme de conception thermique utilisé pour calculer le transfert de chaleur n’est valable que pour un espacement minimal des déflecteurs de 50 mm et pour un espacement maximal des déflecteurs égal au diamètre intérieur du tube de calandre. En dehors de ces limites, les calculs ont une plus grande marge d’incertitude et d’erreur.
Bien qu’il existe plusieurs types de deflecteurs segmentaires, il n’est normalement nécessaire d’en utiliser que deux dans les petits échangeurs de chaleur :
- Coupe horizontale – diriger le fluide côté enveloppe de haut en bas sur le faisceau de tubes – utilisée lorsque le fluide de l’enveloppe est liquide ou gazeux.
- Coupe verticale – dirigeant le fluide d’un côté à l’autre – qui n’est normalement utilisée qu’avec des vapeurs condensantes.
Dans les deux cas, la coupe minimale recommandée est de 25 % du diamètre du déflecteur et la coupe maximale recommandée est de 45 % du diamètre du déflecteur. Une bonne pratique consiste à s’assurer que la ligne de coupe du déflecteur se situe soit entre deux rangées de tubes, soit sur la ligne médiane d’une rangée de tubes. Pour les déflecteurs à coupe verticale, la ligne de coupe doit être alignée sur la ligne médiane d’une colonne de tubes.
Dans le cas des déflecteurs à coupe horizontale, le premier et le dernier déflecteur doivent avoir la partie coupée du déflecteur sur le côté opposé de la coque par rapport au raccordement. Lorsque les raccords latéraux sont situés sur des côtés opposés de la coquille, il y aura donc un nombre pair de déflecteurs et lorsque les raccords sont situés du même côté de la coquille, il y aura un nombre impair de déflecteurs.
Dans le cas des deflecteurs à coupe verticale, il appartient au concepteur de choisir la position des premier et dernier deflecteurs, mais ils doivent suivre les mêmes règles que les deflecteurs à coupe horizontale en ce qui concerne le nombre de deflecteurs (un nombre pair ou impair) et la position des raccordements du côté de l’enveloppe.
Les déflecteurs sont espacés à l’aide de tirants (cf.) espacés autour du déflecteur pour maintenir l’espacement correct et soutenir le déflecteur. La section 5.4.71 de TEMA indique les diamètres et les numéros recommandés pour les tirants.
DEFLECTEURS AVEC VAPEUR
Seuls les déflecteurs à coupe verticale servant de support aux tubes sont normalement utilisés avec les vapeurs de condensation.
Il est important de noter que si l’échangeur de chaleur est monté horizontalement, une encoche ou une fente d’évacuation doit être pratiquée dans la partie inférieure du déflecteur pour permettre l’évacuation libre des condensats. Une surface totale d’encoche égale ou supérieure à la connexion de sortie du condensat assure normalement une évacuation libre.
DENSITÉ
La densité d’une substance est le poids par unité de volume et c’est une propriété importante pour le concepteur d’échangeurs de chaleur car les débits de fluides ou de gaz sont souvent indiqués en termes de débit volumique par le concepteur du système, mais le concepteur d’échangeurs de chaleur a besoin du débit massique.
Une formule utile pour calculer la densité de n’importe quel gaz à STP est la suivante :
Densité = MW/22,4
Où ?
La densité est exprimée en g/L à température et pression normales (STP).
MW = Poids moléculaire en g/mol.
22,4 = une constante en L/mol.
STP = 0°C et 1013 mBar
[1 g/L = 1 kg/m³]
Pour les gaz fonctionnant à des températures et des pressions différentes de STP, la valeur doit être corrigée en fonction de la température et de la pression dans les conditions de travail.
La meilleure façon de calculer la densité d’un liquide est de peser un volume connu de liquide. Comme la densité des liquides varie avec la température (mais très peu avec la pression), il convient d’effectuer des essais sur une gamme de températures.
Un site web très utile donnant non seulement des valeurs de densité mais aussi des informations complètes sur la plupart des substances chimiques est le suivant :
http://webbook.nist.gov/chemistry/
DÉSIGNATIONS
La méthode de désignation des échangeurs de chaleur est laissée à l’appréciation des fabricants, mais la méthode internationalement acceptée est celle décrite dans la section N-1 de TEMA, qui recommande que les unités soient désignées par les caractéristiques suivantes :
- Diamètre nominal de la coquille
- Longueur nominale du tube (qui peut varier de la longueur réelle du tube)
- Type d’unité (plaque tubulaire fixe, monotube, etc.) avec indication du type de collecteurs, le cas échéant.
DIFFÉRENCE DE TEMPÉRATURE MOYENNE EFFECTIVE
La différence de température moyenne effective (EMTD) est le produit de la différence de température logarithmique (cf.) (LMTD) et d’un facteur de correction qui réduit la LMTD pour prendre en compte les effets négatifs de plus d’un passage du tube ou de plus d’un passage de l’enveloppe.
La section 7 de TEMA (cf.) contient des tableaux illustrant diverses dispositions de passage de tubes et de calandre qui permettent au concepteur de l’échangeur de chaleur d’obtenir des valeurs pour F afin de corriger le LMTD.
Les valeurs de P et R doivent être calculées pour les températures de fonctionnement et, à partir du graphique illustrant le schéma d’écoulement utilisé, une valeur de F doit être obtenue :
P = [ t2 – t1 ] / [ T1 – t1 ]
R = [ T1 – T2 ] / [ t2 – t1 ]
T1 = Entrée du fluide du côté de la coquille
T2 = Sortie du fluide du côté de la coque
T1 = Entrée du fluide côté tube
T2 = Sortie du fluide du côté du tube
L’examen des graphiques montre que lorsque la valeur de F est inférieure à 0,75, il devient de plus en plus difficile d’obtenir une valeur avec certitude. Il est donc recommandé de rejeter les configurations d’échangeurs de chaleur qui donnent des valeurs inférieures à 0,75 et de réexaminer les paramètres de conception.
DIRECTIVE SUR LES ÉQUIPEMENTS SOUS PRESSION (PED) 97/23/CE
Tout équipement sous pression vendu dans l’Union européenne DOIT être évalué et classé conformément à la directive européenne 97/23/CE relative aux équipements sous pression, afin de déterminer le niveau de contrôle de la conception et de la fabrication requis.
La procédure d’évaluation des échangeurs de chaleur est simple et consiste à calculer les volumes de chaque circuit de fluide et à multiplier ces volumes par la pression de service maximale autorisée pour le circuit de fluide concerné.
En utilisant la catégorie de fluide de chacun des fluides de travail, les tableaux d’évaluation de la conformité pertinents de l’annexe II de la directive sur les équipements sous pression sont sélectionnés et la valeur de Pression x Volume en Bar.Litres est utilisée pour catégoriser l’équipement.
- Équipements qui ne peuvent pas être marqués CE en raison de leur taille et/ou de leurs conditions de conception
- Marquage CE de catégorie I, qui exige une inspection finale par le fabricant uniquement
- Marquage CE de catégorie II nécessitant une inspection finale par un organisme notifié
- Marquage CE de catégorie III qui nécessite un examen de la conception et une inspection finale par un organisme notifié
- Marquage CE de catégorie IV qui nécessite un examen de la conception et une inspection finale par un organisme notifié
Indépendamment de la catégorie à laquelle appartient l’équipement, le fabricant a l’obligation légale de maintenir un dossier technique.
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:1997L0023:20031120:en:PDF
DONNÉES SUR LES FLUIDES
Les données sur les fluides peuvent être divisées en deux catégories principales :
- Données requises à des fins de sécurité et de catégorisation en vertu des règles de la directive sur les équipements sous pression (cf.) qui classifie les fluides (y compris les liquides, les gaz et les vapeurs) comme étant soit :
- Catégorie 1 – Dangereux s’ils le sont :
- Inflammable
- Toxique
- Corrosif
- Catégorie 2 – Pas dangereux pour tout le reste
- Catégorie 1 – Dangereux s’ils le sont :
- Données requises permettant au concepteur de l’échangeur de chaleur de :
- Choisir les matériaux appropriés pour les composants en contact avec l’eau et les composants non en contact avec l’eau
- Effectuer la conception thermique de l’échangeur de chaleur
Cela nécessite une connaissance détaillée de la chimie des fluides de travail et de tous les contaminants susceptibles d’être présents.
DRAINAGE
Une fois que les échangeurs de chaleur ont été testés hydrauliquement ou lorsqu’ils doivent être retirés pour être entretenus ou réparés, il est essentiel qu’ils soient vidangés de tout liquide, tant du côté de l’enveloppe que du côté des tubes. Cela peut se faire par le biais de la tuyauterie du système, mais il est parfois nécessaire d’équiper les unités de points de vidange spécifiques afin de garantir une vidange en toute sécurité.
En règle générale, un raccord vissé femelle (BSP ou NTP) est approprié, mais le concepteur doit choisir non seulement une taille mais aussi un type approprié en tenant compte des conditions de travail, de la toxicité des fluides, des volumes de fluides, etc. Le concepteur de l’échangeur de chaleur doit toujours tenir compte de la manière dont l’équipement sera drainé pendant les essais en usine et sur le site une fois qu’il aura été installé.
EAU
Les sources d’eau de refroidissement pour les échangeurs de chaleur varient en fonction de l’installation, mais elles peuvent être classées comme suit :
- Sources d’eau brute : il est important de contrôler la composition chimique de la source d’eau pour s’assurer qu’elle convient à l’utilisation des aciers inoxydables de la série AISI 300, en particulier la quantité de chlorures. L’eau doit être filtrée à travers des filtres à mailles pour s’assurer que les solides transportés vers l’échangeur de chaleur ne causent pas de blocage. L’utilisateur doit garder à l’esprit que des contrôles environnementaux en vigueur dans la plupart des pays limitent la température des sources d’eau brute renvoyées dans l’environnement.
- Sources d’eau douce : elles proviennent normalement de systèmes d’eau potable alimentés par le réseau. La teneur en chlorure de ces sources est normalement faible, mais elles présentent souvent une teneur élevée en carbonate, ce qui entraîne la formation de tartre en cas de chauffage. L’utilisateur doit disposer d’installations permettant d’éliminer le tartre de l’eau dure (normalement à l’aide de méthodes chimiques) s’il est prévu d’utiliser l’eau pour des services de refroidissement où les températures sont élevées.
- Sources d’eau réfrigérée : il s’agit de systèmes fermés dont on peut normalement supposer qu’ils sont propres et non encrassés. Il est peu probable que les températures de fonctionnement provoquent une précipitation de tartre carbonaté, de sorte que l’encrassement est faible sur des périodes prolongées.
Exigences générales :
La qualité de l’eau est un facteur important pour déterminer la durée de vie de l’échangeur de chaleur. L’utilisateur optimisera la durée de vie de l’échangeur de chaleur s’il surveille la qualité de l’eau pour s’assurer que la source d’eau reste conforme aux spécifications.
- Des analyses chimiques régulières doivent être effectuées pour déterminer les niveaux de chlorure et de carbonate et des mesures appropriées doivent être prises si les quantités trouvées dépassent les niveaux acceptables. Il convient de demander l’avis d’un spécialiste pour confirmer que toute source d’eau est adaptée à l’utilisation des matériaux AISI 304/316 aux niveaux de température susceptibles d’être rencontrés en service.
- Des vannes d’arrêt manuelles doivent être installées avant et après l’échangeur de chaleur pour garantir la sécurité lors des activités d’entretien.
- Si l’unité utilise de l’eau comme fluide de refroidissement, un dispositif de décharge de sécurité doit être installé entre les vannes d’arrêt manuelles et l’échangeur de chaleur, dimensionné pour assurer une accumulation de pression ne dépassant pas 10 % de la pression de service maximale admissible indiquée sur la plaque signalétique de l’échangeur de chaleur dans toutes les conditions prévisibles. Ceci est particulièrement important lorsque le fluide refroidi est à haute température, ce qui pourrait entraîner une augmentation rapide de la pression dans le système de refroidissement en cas de défaillance de l’alimentation.
- L’utilisateur doit s’assurer que le système et l’échangeur de chaleur sont entièrement purgés d’air avant d’être mis en service, en particulier lors de la première mise en service et après les opérations d’entretien.
EBULLITION
Il existe trois principaux types d’équipements produisant de la vapeur :
- Appareils à pression (généralement appelés chaudières) qui utilisent un combustible brûlant pour produire de la vapeur à moyenne ou haute pression.
- Chaudières à chauffage électrique de petite capacité utilisant des éléments chauffants industriels standard dans une cuve pressurisée pour produire de la vapeur à basse ou moyenne pression.
- Appareils à pression sans combustion (généralement appelés générateurs de vapeur) qui utilisent soit une vapeur de condensation, soit un flux de gaz chauds (par exemple les gaz d’échappement des moteurs à combustion interne), soit un liquide chaud tel que de l’eau chaude surchauffée ou de l’huile chaude pour produire de la vapeur à moyenne ou basse pression.
Les cuves de type [1] sont généralement utilisées pour les installations centrales de production de vapeur dans les grandes installations, les cuves de type [2] dans les installations industrielles plus petites, mais les cuves de type [3] peuvent être utilisées dans une très large gamme d’applications. Ils sont généralement utilisés dans des applications impliquant la récupération de chaleur pour augmenter l’efficacité de l’installation, qui nécessitent des quantités limitées de vapeur industrielle à moyenne ou basse pression ou dans des applications qui nécessitent de la vapeur hygiénique pour des installations pharmaceutiques ou alimentaires.
Il existe de nombreuses méthodes pour estimer les coefficients de transfert de chaleur dans les applications d’ébullition, qui dépendent de l’état de surface du tube, de la pression et de la température de travail, de la position de montage, etc. Le concepteur de l’échangeur de chaleur doit utiliser son expertise pour décider de la méthode la plus appropriée pour une application donnée.
Il est important de noter que dans les applications d’ébullition, il existe plusieurs mécanismes qui dépendent des facteurs ci-dessus et qui ont une limite supérieure d’applicabilité. Si une trop grande quantité de chaleur par unité de surface, appelée flux de chaleur (cf.), est transférée au liquide en ébullition, le mécanisme passe de l’ébullition nucléée à l’ébullition en film.
La force motrice de l’ébullition étant la différence de température, la limitation du flux de chaleur est obtenue en limitant la différence de température entre le fluide chaud et la température de saturation du liquide en ébullition. De nombreux manuels contiennent des graphiques montrant le flux de chaleur en fonction de la différence de température pour divers types de tubes et de liquides. Il est conseillé au concepteur de l’échangeur de chaleur d’utiliser ces graphiques comme guide afin d’éviter de tomber dans le régime de l’ébullition en film.
ÉCHANGEUR DE CHALEUR MONOTUBE
Les échangeurs de chaleur XLG des séries MD et M qui comportent deux tubes concentriques reliés de manière à ce que le produit (habituellement) s’écoule dans le tube intérieur et le fluide de service dans l’espace annulaire entre les deux tubes.
Les modèles peuvent être des plaques tubulaires fixes ou démontables en fonction de l’application.
Une considération très importante dans la conception des échangeurs de chaleur monotubes est l’effet de la pression de calcul côté calandre agissant sur l’extérieur du tube intérieur. Pour les tubes de plus de 88,9 mm, la capacité du tube à résister à la pression externe diminue rapidement. Chaque cas doit donc être vérifié conformément à la norme EN13445 (cf.) pour s’assurer que le tube intérieur ne s’effondre pas.
ÉCHANGEURS DE CHALEUR À ESPACE ANNULAIRE
Les échangeurs de chaleur à espace annulaire sont une évolution des échangeurs de chaleur monotubes qui intègrent un ou deux tubes concentriques supplémentaires pour entourer le produit traité avec le fluide de service des deux côtés. Pour faciliter cette opération, il y a normalement une connexion d’entrée et une connexion de sortie du produit, mais deux connexions d’entrée et deux connexions de sortie du fluide de service.
L’assemblage du tube intérieur est normalement démontable pour permettre l’inspection et le nettoyage, la pression étant scellée à l’aide d’un double joint torique avec une voie de fuite vers l’atmosphère pour indiquer la défaillance du joint.
Les unités à espace annulaire sont particulièrement utiles pour le traitement de produits très visqueux – sans particules – pour l’industrie alimentaire. Dans ces applications, un assemblage à double coude est parfois inclus pour maximiser la capacité de chauffage des unités.
Il est donc essentiel que les pressions de travail et d’essai soient établies avec précision et qu’une conception mécanique détaillée soit réalisée afin de déterminer les épaisseurs minimales requises pour tous les tubes afin de résister aux pressions externes exercées sur les tubes intérieurs.
ÉCHANGEURS DE CHALEUR MULTITUBULAIRES
Les unités XLG BD, D et Pharmaceutique sont des échangeurs de chaleur multitubulaires qui comportent plusieurs tubes de petit diamètre à l’intérieur d’un tube plus grand formant l’enveloppe.
Le diamètre intérieur des tubes peut varier d’un minimum normal de 12,0 mm à un maximum normal de 42 mm, mais des modèles spéciaux avec des tubes plus grands ou plus petits peuvent être fabriqués en fonction de la combinaison des matériaux.
Les modèles peuvent être des plaques tubulaires fixes ou démontables en fonction de l’application.
EFFICACITÉ
L’efficacité des échangeurs de chaleur est calculée en comparant la quantité maximale possible de chaleur transférée à la quantité réelle transférée. Le rapport est toujours inférieur à 1 (ce qui est une impossibilité physique), mais plus il se rapproche de 1, plus l’échangeur de chaleur est considéré comme efficace.
Dans les échangeurs de chaleur où il n’y a pas de changement d’état, l’efficacité est calculée comme suit :
µt = (t2 – t1 ) / (t3 -t )1
Où ?
t1 = Température d’entrée du fluide froid
t2 = Température de sortie du fluide froid
t3 = Température d’entrée du fluide chaud
Les rendements les plus élevés ne peuvent être obtenus que par des échangeurs de chaleur fonctionnant à contre-courant (cf.) et, en général, plus le rendement est élevé, plus l’échangeur de chaleur est coûteux.
ÉCHANGEURS DE CHALEUR MULTITUBULAIRES
Les unités XLG BD, D et Pharmaceutique sont des échangeurs de chaleur multitubulaires qui comportent plusieurs tubes de petit diamètre à l’intérieur d’un tube plus grand formant l’enveloppe.
Le diamètre intérieur des tubes peut varier d’un minimum normal de 12,0 mm à un maximum normal de 42 mm, mais des modèles spéciaux avec des tubes plus grands ou plus petits peuvent être fabriqués en fonction de la combinaison des matériaux.
Les modèles peuvent être des plaques tubulaires fixes ou démontables en fonction de l’application.
EFFICACITÉ DES LIGAMENTS
Il s’agit d’une mesure des effets d’affaiblissement des trous des tubes dans les plaques tubulaires et se calcule comme suit pour les modèles de tubes triangulaires ou triangulaires tournés, afin de calculer l’épaisseur des plaques tubulaires :
μ = [ p – d ] / p
Où ?
P = pas du tube
d = Diamètre du trou du tube
Il convient de noter que si un pas de tube inférieur à 1,2 x le diamètre extérieur du tube est utilisé, la plaque tubulaire est intrinsèquement faible et ne convient qu’aux faibles pressions. Pour les joints expansés à rouleaux et les pressions élevées, il est préférable d’utiliser un pas de 1,25 x le diamètre extérieur du tube.
A 1,2 x le pas du diamètre extérieur, l’efficacité du ligament serait :
- Diamètre extérieur du tube 18,0 mm
- Pas du tube 21,6 mm
- μ = [21.6 – 18.0 ] / 21,6 = 0,1667
Pour un pas de 1,25 x le diamètre extérieur, l’efficacité du ligament serait la suivante :
- Diamètre extérieur du tube 18,0 mm
- Pas du tube 22,5 mm
- μ = [22.5 – 18.0 ] / 22,5 = 0,2
ELASTOMERS
Les élastomères sont des composés semblables au caoutchouc (un polymère) qui ont généralement un module d’Young faible et une résistance à la déformation élevée par rapport à d’autres matériaux.
Il s’agit normalement de matériaux « thermodurcis » (cf.) qui nécessitent une vulcanisation et sont utilisés pour divers types de joints et de garnitures.
Ils sont fabriqués dans une large gamme de matériaux, les plus utiles dans les applications d’échangeurs de chaleur étant les suivants :
- EPDM
- Nitrile
- Néoprène
- Silicone
- VITON®
Chacun de ces matériaux a une plage spécifique de températures et de pressions acceptables pour leur utilisation, ainsi qu’une plage de résistance chimique. Le concepteur de l’échangeur de chaleur, lorsqu’il utilise des joints en élastomère, doit choisir un matériau acceptable pour l’utilisateur final, qui résiste chimiquement au(x) fluide(s) de travail et qui sera utilisé dans les limites de ses températures et pressions de fonctionnement sûres.
Il est normalement pratique de spécifier une valeur de dureté pour l’élastomère d’environ 80 Shore, ce qui donne une résistance adéquate à la surcompression.
Il faut savoir – et l’utilisateur final en est informé – que tous les élastomères sont sensibles à la chaleur, aux rayons UV et à la pollution de l’air. Les joints de rechange doivent donc être stockés sur place dans des zones de stockage ombragées, à l’écart des sources de chaleur et dans un environnement propre. Dans tous les cas, ils se détérioreront avec le temps et même les pièces de rechange doivent être examinées périodiquement et remplacées si elles montrent des signes de détérioration.
ÉLIMINATION DES CONDENSATS
Dans les applications de condensation de la vapeur, il est essentiel que l’élimination du condensat de l’échangeur de chaleur se fasse de la manière la plus efficace possible. Si ce n’est pas le cas, cela peut avoir plusieurs conséquences indésirables qui affecteront les performances de l’échangeur de chaleur et sa durée de vie.
Si l’échangeur de chaleur a été conçu pour sous-refroidir le condensat en dessous de sa température de saturation, il y aura un niveau de condensat établi dans l’échangeur de chaleur qui a été pris en compte dans la conception mécanique. En revanche, si le condensat reflue en raison d’une évacuation inefficace, il y aura des différences de température du métal qui n’ont pas été prises en compte et qui peuvent fissurer les soudures et causer d’autres dommages.
Il existe également un risque que de la vapeur vive entre en contact avec une surface d’eau froide, ce qui envoie des ondes de choc à travers le liquide et peut éventuellement provoquer des ruptures de fatigue. Ce phénomène s’accompagne généralement de bruits de craquement et parfois de vibrations de la tuyauterie.
La responsabilité d’assurer une évacuation efficace des condensats incombe au concepteur des systèmes de tuyauterie dans lesquels l’échangeur de chaleur sera installé. Il doit non seulement s’assurer que la tuyauterie et les dispositifs de piégeage de la vapeur sont correctement dimensionnés, mais aussi que les clapets anti-retour, les vannes d’arrêt, etc. sont correctement positionnés et installés.
EMBALLAGE
Les échangeurs de chaleur doivent toujours être protégés contre les dommages pendant le transport vers le site.
Pour les équipements de très grande taille ou les unités multiples montées dans un cadre, le transport par camion spécialisé est normalement conseillé afin d’éviter les opérations multiples de chargement et de déchargement, auquel cas une protection minimale est normalement requise.
Toutefois, pour les petites unités, il est conseillé de toujours utiliser un emballage de transport approprié. Pour les envois par la route en Europe, une caisse en bois robuste et ouverte est normalement appropriée, dimensionnée pour s’assurer que l’unité ne peut pas bouger pendant le chargement, le transport et le déchargement.
Pour les envois par mer vers des destinations plus éloignées, il est conseillé d’utiliser une caisse complète, dimensionnée de manière à ce que l’unité ne puisse pas bouger pendant le chargement, le transport et le déchargement, et entièrement doublée de papier imperméable afin de minimiser les risques de dommages causés par l’eau de mer. Il convient de garder à l’esprit que de nombreuses destinations d’outre-mer ne disposent pas d’infrastructures de déchargement et de transport sophistiquées et que les caisses d’emballage seront soumises à des manipulations très rudes. Le fabricant de caisses d’emballage doit être informé de la possibilité d’une manipulation brutale et, si possible, demander à la société de transport de confirmer les installations de déchargement et de transport dans le pays de destination.
Il convient de noter que de nombreuses destinations impliquant un transport maritime exigent des preuves et des marquages certifiés sur TOUT le bois utilisé dans la fabrication de la caisse ou de la boîte afin de confirmer que le bois a été soumis à un traitement chimique approuvé pour tuer tous les insectes et les larves qui peuvent être présents dans le bois.
Toutes les caisses d’emballage doivent être marquées des symboles internationalement reconnus pour les points de levage, la protection contre les conditions humides, la position de montage, etc.
Les normes ISO 780 et ASTM D5445 indiquent les symboles couramment utilisés qui doivent être utilisés le cas échéant.
Certaines applications exigent que les échangeurs de chaleur soient expédiés sous pression d’un gaz inerte (généralement de l’azote) afin d’éviter toute contamination. Dans ce cas, des marquages de transport spéciaux (et des manomètres) sont nécessaires.
Il convient de demander conseil à des agents maritimes spécialisés pour s’assurer que la législation en vigueur est respectée.
ENVELOPPE
C’est le terme généralement utilisé pour décrire l’enveloppe de pression entourant le(s) tube(s) intérieur(s) d’un échangeur de chaleur à calandre.
XLG utilise une variété de diamètres de coquilles, généralement basés sur les normes DIN ou ASTM. La finition de la surface est mate pour les applications industrielles et polie (finition miroir) pour les applications alimentaires ou pharmaceutiques.
Dans les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires fixes, un soufflet d’expansion (cf.) est généralement installé pour absorber la dilatation différentielle entre la calandre et le(s) tube(s) intérieur(s).
EPDM
L’EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère) est un élastomère (cf.) utilisé dans une large gamme de joints d’étanchéité.
Il est principalement utilisé dans les applications à base d’eau ou de vapeur et sa température maximale en service continu est de +140°C. Il ne convient normalement pas aux applications à base d’huile minérale.
Sa température minimale de service est de -50°C.
Le composé normal est noir et ne peut donc pas être utilisé dans des applications alimentaires ou hygiéniques, mais il existe des composés blancs approuvés par la FDA, bien qu’ils soient normalement plus chers et que leur délai de livraison soit plus long que celui des composés noirs.
ESPACEMENT DES TUBES
Conformément aux recommandations de la section 5 C-2.5 de TEMA, les échangeurs de chaleur multitubulaires XLG utilisent normalement un espacement entre les tubes compris entre 1,2 et 1,25 x le diamètre extérieur du tube. Pour des raisons de performance, cet espacement est parfois augmenté afin d’obtenir une plus grande surface d’écoulement du côté de l’enveloppe et, par conséquent, une perte de pression plus faible.
EVAPORATION
Voir Ébullition.
FACTEUR DE FAUTE
Dans de nombreuses applications de transfert de chaleur, les fluides de travail transportent des substances qui se déposent sur les surfaces de transfert de chaleur ou provoquent la corrosion de ces surfaces.
Dans ce cas, une résistance supplémentaire au flux de chaleur est ajoutée et la performance de l’échangeur de chaleur (son efficacité) est affectée.
Deux méthodes sont utilisées pour permettre cette accumulation sur les surfaces de transfert de chaleur :
- Permettre une surface supplémentaire pour compenser la réduction du coefficient de transfert de chaleur due à la couche supplémentaire de saleté (ou d’encrassement).
- Introduire un facteur dans les calculs du coefficient de transfert de chaleur pour réduire artificiellement le coefficient.
Ce facteur supplémentaire (ou ces facteurs si les deux flux de fluides sont concernés) est appelé « facteur d’encrassement » et sa valeur doit être déterminée sur la base de l’expérience d’applications similaires et d’une connaissance des fluides de travail et de leur environnement.
TEMA propose une liste de facteurs d’encrassement recommandés dans la section 10, mais comme ces facteurs sont destinés aux applications de raffinage, ils sont normalement considérés comme trop sévères pour une utilisation industrielle normale. L’expérience est le meilleur guide pour déterminer les valeurs à utiliser.
FACTEURS DE CONCEPTION
De nombreux facteurs interviennent dans la conception d’échangeurs de chaleur appropriés pour une application donnée, certains évidents et d’autres moins.
- Les exigences de base en matière de transfert de chaleur, le débit et les températures d’entrée et de sortie pour les deux fluides.
- Les caractéristiques des fluides, chaleur spécifique, conductivité thermique, etc.
- Limites de perte de pression.
- Position de montage.
- Limites d’espace.
- Limites de transport et de déchargement.
- Codes de conception internationaux, nationaux ou industriels à appliquer.
- Questions de sécurité.
- Questions d’hygiène
- Questions environnementales, tremblements de terre, pollution atmosphérique
FATIGUE
Il s’agit d’un dommage structurel progressif et localisé qui se produit lorsqu’un matériau est soumis à une charge cyclique. Les valeurs maximales nominales de contrainte sont inférieures à la limite UTS et peuvent également être inférieures à la limite d’élasticité du matériau.
La fatigue se produit lorsqu’un composant est soumis à des charges et décharges répétées. Dans le cas des échangeurs de chaleur, il peut s’agir d’une charge thermique (chauffage et refroidissement) ou d’une charge de pression (pressurisation et dépressurisation).
La fatigue provoque des fissures dans les zones les plus sollicitées d’un composant et la susceptibilité d’un composant est affectée par sa forme. Les angles vifs et les trous carrés doivent être évités dans la mesure du possible, car ils peuvent conduire à des niveaux élevés de contrainte en raison de la présence d’élévateurs de contrainte (cf.) ; les angles arrondis et les trous ronds étant moins sensibles, ils doivent toujours être utilisés.
La norme européenne EN13445 propose deux méthodes pour vérifier le niveau de fatigue d’un récipient sous pression, une méthode simplifiée (UNE-EN-13445-3 Section 17) et une routine plus rigoureuse (UNE-EN-13445-3 Section 18).
Le problème de ces deux méthodes est qu’elles nécessitent des informations détaillées sur les cycles de fonctionnement de la cuve, dont le concepteur de l’échangeur de chaleur ne disposera probablement pas au stade de la conception du contrat. Une approche plus générale est donc nécessaire dans les applications où le concepteur soupçonne que la fatigue peut être un facteur important pendant la durée de vie d’une unité.
Les applications où la fatigue est susceptible de se produire sont celles où l’unité ne fonctionne pas en continu, comme les systèmes de chauffage CIP, où les unités doivent être en veille pendant des périodes et sont ensuite soudainement mises en pleine charge.
En règle générale, la contrainte maximale imposée à tout composant de l’échangeur de chaleur doit être limitée à 25 % du niveau de contrainte maximal admissible. Si cette règle est respectée, en augmentant l’épaisseur des sections si nécessaire et en utilisant des coins correctement arrondis, etc. la probabilité d’une défaillance due à la fatigue sera minimisée.
Pour en être absolument certain, l’analyse recommandée par la norme EN 13445 doit être effectuée et les informations détaillées nécessaires à cette analyse doivent être demandées à l’utilisateur final.
FERRULES
Dans les industries alimentaires et pharmaceutiques, la propreté et l’hygiène sont d’une importance vitale et il est normal que les échangeurs de chaleur soient régulièrement nettoyés et inspectés. Pour faciliter le retrait et la reconnexion, il est normal dans ces industries d’utiliser des bagues hygiéniques qui sont scellées par un joint en élastomère, la pression d’étanchéité étant assurée par un collier de serrage monté sur des bagues en forme de coin.
Différentes normes sont disponibles dans le commerce, certaines approuvées par le TÜV et l’ASME, et le concepteur doit choisir le style et le type qui conviennent à l’application et aux pressions et températures de travail spécifiées pour l’équipement.
Des fabricants tels que Stahlcon (Allemagne) ou Advanced Couplings (Royaume-Uni) disposent d’une large gamme de bagues approuvées. Alfa Laval fournit également des bagues (marque déposée « Tri-Clover »), mais celles-ci doivent être évitées dans la mesure du possible, car elles sont normalement plus chères que celles des autres fournisseurs.
FINITION GRIT
Lorsqu’une spécification est donnée pour l’état de surface requis pour les surfaces mouillées d’un échangeur de chaleur, il peut y avoir plusieurs façons de décrire le niveau de finition.
La méthode moderne consiste à spécifier la valeur de crête RMS en microns, mais l’ancienne méthode consistait à donner une mesure de la « finition granulométrique », ce qui est encore parfois utilisé.
Il existe malheureusement deux normes pour les finitions Grit et vous devez savoir quelle norme est utilisée car elles varient :
Norme américaine | Norme du Royaume-Uni | Ra |
---|---|---|
Finitions granuleuses | Finitions granulométriques | µm |
– | 120 | 3.0 |
– | 180 | 2.0 |
80 | – | 1.65 |
– | 240 | 1.5 |
– | 320 | 0.75 |
180 | – | 0.62 |
240 | – | 0.45 |
– | 500 | 0.4 |
320 | – | 0.25 |
Il est important que seule la valeur Ra soit indiquée aux sous-traitants et aux clients sur les plans et autres documents, car il s’agit de la seule norme internationale reconnue par tous.
FLANGES
La plupart des systèmes industriels utilisent des brides boulonnées pour raccorder la tuyauterie et les autres composants du système. Les concepteurs disposent d’un grand nombre de types et de styles de brides différents, qui sont normalement spécifiés par le concepteur du système ou l’utilisateur final en fonction des autres composants du système.
Deux des styles de brides les plus couramment utilisés présentent l’un ou l’autre :
- Surfaces de joint complètement planes qui nécessitent des joints à face entière
- Une partie surélevée peu profonde formant une surface de joint de diamètre réduit – une face surélevée
Le type [1] est normalement le moins cher à l’achat car il est moins compliqué à produire, mais le type [2] présente l’avantage d’augmenter la pression d’étanchéité sur le joint pour une charge de boulon donnée, ce qui le rend plus sûr dans les applications à haute pression.
Les normes de brides les plus couramment utilisées sont les suivantes :
- ANSI B16,5 États-Unis d’Amérique
- BS 4504 Royaume-Uni
- DIN Allemagne
- ISO L’Europe en général
Si l’utilisation de joints en élastomère est proposée, il est conseillé d’usiner les surfaces de contact du joint de la bride avec une série de rainures concentriques peu profondes qui serviront de clé pour le joint. Dans le cas contraire, le joint pourrait être expulsé de l’assemblage de la bride dans des conditions de haute pression. Lorsque le système est sous pression, cette situation est évidemment dangereuse et doit être évitée.
Le paragraphe 5.7.2 de la norme EN 1092-1 donne des détails sur l’usinage recommandé pour les différents types de brides.
FLUIDES THERMIQUES
Dans les applications nécessitant une source de chauffage par fluide à haute température, le concepteur dispose de plusieurs options. Les sources de vapeur à haute pression et à haute température sont souvent utilisées, mais elles présentent l’inconvénient que les composants du système doivent être conçus pour résister à des pressions et des températures élevées, ce qui limite souvent les matériaux disponibles.
Les fluides thermiques constituent une alternative à la vapeur. Ils peuvent être portés à des températures élevées à l’aide d’appareils de chauffage électriques ou à flamme et fonctionner à basse pression, ce qui simplifie la conception mécanique. Ils peuvent également fonctionner à des températures très basses. Il existe une grande variété d’huiles, chacune correspondant à une plage de température spécifique.
La plupart sont des fluides synthétiques mélangés pour obtenir la gamme de températures de fonctionnement requise avec peu ou pas de corrosion ou de dégradation du produit due à des températures élevées ou de cirage due à des températures très basses.
Pour obtenir des informations détaillées sur des fluides spécifiques et leurs caractéristiques de fonctionnement, consultez les sites web des principaux fabricants tels que : Mobil, Shell, BP, Santos, Exxon.
Le concepteur du système spécifiera normalement le type et le nom commercial du fluide à utiliser, car ce sont les exigences du processus et les installations de chauffage qui détermineront le fluide le plus approprié.
FLUX DE CHALEUR
Le flux thermique est la quantité de chaleur par unité de surface qui passe à travers la surface de transfert de chaleur dans un liquide en cours d’évaporation.
Dans les processus d’évaporation, il existe deux modes importants.
- On parle d’ébullition en film lorsque la quantité de chaleur par unité de surface – le flux thermique – est si élevée que les surfaces d’évaporation sont recouvertes d’un film de vapeur évaporée. Le film de vapeur inhibe le processus d’évaporation, ce que l’on appelle « l’effet Leidenfrost », ce qui se traduit par un échangeur de chaleur très inefficace.
- L’ébullition nucléée est le processus le plus efficace : la vapeur est produite dans de petites bulles à l’intérieur du liquide. Ces bulles montent à la surface où elles s’échappent et forment un nuage de vapeur au-dessus du liquide.
Le type de mécanisme d’ébullition qui se produira avec un fluide donné dépend non seulement des caractéristiques du fluide, mais surtout de la différence de température entre la paroi du tube et le liquide en contact avec elle. Si la différence est trop importante, il y aura ébullition du film et le coefficient global de transfert de chaleur sera réduit.
Pour chaque fluide, il existe une « courbe d’ébullition » caractéristique de la différence de température en fonction du flux de chaleur produit. La tâche des concepteurs d’échangeurs de chaleur consiste à maximiser le flux de chaleur tout en le maintenant en dessous du flux de chaleur critique lorsque l’ébullition de la pellicule commence.
FOULING
Il existe plusieurs types d’encrassement, que l’on peut schématiquement résumer comme suit :
Encrassement par dépôt – lorsque le flux de fluide transporte des particules solides telles que le limon dans l’eau de rivière qui, en raison d’une faible vitesse dans les tubes, tombent sous l’action de la gravité sur les surfaces des tubes.
Encrassement chimique – lorsqu’un changement chimique dans le fluide se produit pendant le chauffage ou le refroidissement et permet à l’un des constituants de se déposer sur la surface du tube. Un exemple courant de ce type d’encrassement est l’entartrage de l’eau dure qui se produit lorsque l’eau contenant du chlorure de calcium dissous est chauffée. Le chauffage entraîne une diminution de la solubilité du chlorure de calcium, qui se dépose sur les surfaces chauffantes.
Encrassement par corrosion – lorsque l’un des fluides de fonctionnement est corrosif pour le matériau du tube et provoque la formation d’un film de produits de corrosion sur les surfaces du tube.
Encrassement biologique – lorsque des agents biologiques tels que des algues ou des mollusques sont contenus dans le fluide en circulation (généralement de l’eau de refroidissement) et se déposent sur les surfaces de l’échangeur de chaleur.
FRÉQUENCE NATURELLE
Dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire, on utilise des tubes de diamètre relativement petit et de grande longueur. De ce fait, les tubes ont une longueur non soutenue importante (entre les déflecteurs alternés (cf.) ou les plaques de support) et, s’ils sont soumis à des forces perturbatrices, ils peuvent souvent vibrer.
Chaque tube ou tige a une fréquence naturelle inhérente (ou fréquence fondamentale) qui est la fréquence à laquelle il oscille une fois qu’il a été mis en mouvement s’il n’y a pas d’interférence extérieure.
Pour les tubes dont une extrémité est fixée dans la plaque tubulaire et l’autre extrémité est libre (en supposant qu’il y a un espace entre le tube et le trou du tube dans le déflecteur), la fréquence naturelle fondamentale est calculée comme suit – tiré de la section 6 de TEMA – toutes les dimensions sont exprimées en unités impériales :
fn = 10 838 × [(A × C) / (L²) × ((E × I) / w)]^0,5
Où ?
- fn = fréquence naturelle fondamentale
- A = multiplicateur de contrainte du tube tiré du paragraphe V-6.1 de TEMA
- C = le facteur du tableau TEMA V-6.3 pour une extrémité fixe et une extrémité libre
- L = la longueur du tube non supporté
- E = module d’Young du tube
- I = le moment d’inertie du tube [(P/64) × (od⁴ – id⁴)].
- wo = poids du tube par unité de longueur, y compris le poids du fluide contenu
GASKETS
De nombreux types de joints sont utilisés pour assurer l’étanchéité des raccords à brides et il est important que le matériau et le type de joint soient choisis en fonction de l’application.
Il existe deux formes de base : les joints annulaires qui correspondent aux diamètres intérieur et extérieur de la face surélevée de la bride (le cas échéant) et les joints à face pleine qui correspondent aux diamètres intérieur et extérieur de l’ensemble de la bride.
Les joints à face pleine sont souvent plus faciles à poser car ils comportent des trous de boulons qui peuvent être utilisés pour positionner et fixer le joint pendant que les brides sont fixées.
Si des joints souples (élastomères) de l’un ou l’autre type sont utilisés, il est conseillé de veiller à ce que les surfaces des joints des brides soient usinées avec des rainures concentriques afin d’empêcher l’extrusion du joint sous haute pression.
La norme EN 1092-1:2007 donne les dimensions pour ce type de préparation de la face de la bride.
Les matériaux des joints varient en fonction de l’application, car ils doivent être chimiquement résistants au fluide utilisé et suffisamment solides pour supporter la pression et la température de travail.
Les types de joints typiques sont les suivants :
- EPDM ou autres matériaux élastomères (cf.) pour les applications à basse pression et à basse température
- Joints en fibres sans amiante (tels que Klingersil C-4430) utilisés pour une large gamme d’applications impliquant de la vapeur à moyenne pression, des applications d’eau potable chaude ou froide, des applications pétrolières et d’autres hydrocarbures.
- Joints renforcés avec revêtement extérieur en PTFE pour les applications corrosives
- Joints spiralés qui alternent une spirale métallique avec un remplissage en fibres et des anneaux de renforcement intérieurs et extérieurs utilisés pour une large gamme d’applications industrielles et pétrochimiques.
La sélection de matériaux appropriés pour les joints est cruciale pour la sécurité des performances des échangeurs de chaleur. Le matériau doit non seulement être chimiquement résistant aux fluides utilisés, mais aussi avoir une résistance suffisante aux températures de fonctionnement pour résister aux forces imposées par la boulonnerie (résistance à la compression) et aux pressions de fonctionnement (résistance à la traction).
La gamme d’applications pour les échangeurs de chaleur étant très large, il est important que le concepteur utilise les possibilités offertes par les fabricants de joints et de garnitures pour sélectionner un matériau approprié.
Des données utiles sur la sélection des matériaux peuvent être obtenues sur les sites web suivants :
GRAISSE
Il est recommandé d’utiliser une graisse appropriée pour lubrifier les filets des boulons, aider à fixer les joints sur les faces des brides, etc.
La plupart des boulons utilisés par XLG sont en acier inoxydable et de la graisse contenant du cuivre est souvent utilisée pour empêcher le grippage des filets pendant l’assemblage. Pour fixer les joints toriques ou les joints d’étanchéité, on utilise normalement de la vaseline pour maintenir le joint en position.
Il y a cependant une application où la graisse ne doit jamais être utilisée, c’est dans tout échangeur de chaleur utilisant de l’oxygène comme fluide de travail. Il est fort probable que l’oxygène enflamme immédiatement les hydrocarbures contenus dans la graisse, ce qui créerait une situation potentiellement très dangereuse.
Dans TOUTES les applications impliquant de l’oxygène, tous les composants doivent donc être soigneusement dégraissés avant d’être livrés au client.
HYDROGÈNE
Il existe une variété d’applications qui utilisent l’hydrogène comme fluide de travail.
L’hydrogène a une chaleur spécifique très élevée (cf.) et la conception thermique sera donc particulière.
Du point de vue de la sécurité, le concepteur doit garder à l’esprit que la molécule d’hydrogène étant très petite, le gaz peut s’échapper par le moindre interstice dans les joints, les fissures des soudures, etc. et qu’il est extrêmement dangereux que cela se produise car l’hydrogène est extrêmement inflammable et, lorsqu’il s’enflamme, brûle avec une flamme invisible qui blesse gravement toute personne se trouvant à proximité.
Si l’hydrogène est utilisé comme fluide de travail, le concepteur DOIT tenir compte de ces dangers et s’adresser à des fournisseurs de joints spécialisés pour l’aider à choisir les joints. Il doit également veiller à ce que la construction de l’unité soit surveillée de près, avec des examens non destructifs appropriés des zones soudées et des tests de pression et de fuite rigoureusement appliqués.
INCLUSION
Les échangeurs de chaleur utilisés dans certaines applications de l’industrie alimentaire ou pharmaceutique doivent être autovidangeables pour permettre le nettoyage ou l’entretien des unités avec un minimum de perte de produit.
Ceci n’est possible qu’avec des échangeurs de chaleur à passage unique et peut être réalisé en montant l’unité à un angle de 2º à 5º par rapport à l’axe horizontal, à condition que l’entrée et les collecteurs appropriés soient installés. Cependant, avec des unités multiples, cela peut s’avérer plus compliqué. Si les unités sont montées dans une seule colonne, il est possible d’installer des collecteurs excentriques et de monter les unités de manière à ce qu’elles s’inclinent dans des directions alternées, mais cela peut entraîner un assemblage d’échangeurs de chaleur très haut.
Il faut garder à l’esprit que si l’on utilise des tubes ondulés, le drainage ne sera pas total, même avec des unités inclinées, car une petite quantité de fluide sera piégée dans les auges ondulées, même à des angles d’inclinaison très prononcés. Si un drainage complet est essentiel avec des tubes ondulés, l’échangeur de chaleur doit être monté verticalement.
INSTALLATION
L’installation des échangeurs de chaleur est normalement assez simple et consiste à raccorder la tuyauterie aux buses. Des instructions générales plus détaillées sont données dans le manuel d’installation et d’entretien fourni avec l’échangeur de chaleur, ainsi que des instructions plus spécifiques, le cas échéant.
La responsabilité de l’installation est normalement assumée par une entreprise tierce qui doit s’assurer que les unités sont installées correctement en tenant compte des instructions fournies.
Ils doivent être informés de la nécessité éventuelle d’incorporer des dispositifs de dilatation dans les tuyauteries adjacentes et de laisser à une extrémité de l’échangeur de chaleur la possibilité de se dilater ou de se contracter aux températures de service. Un échangeur de chaleur de 6,0 mm de long utilisant de la vapeur saturée sèche à 10,0 Bar(g) se dilatera d’environ 14 mm et il faut en tenir compte dans la conception de la tuyauterie et des supports, sous peine de provoquer des contraintes dommageables dans l’enveloppe, les tubes et les plaques tubulaires de l’échangeur de chaleur.
ISO 9001
ISO 9001 est la norme internationale pour la gestion de la qualité.
Il vise à fournir les exigences essentielles d’un système de gestion de la qualité axé sur les processus requis par toute organisation pour garantir la satisfaction de ses clients et la conformité de ses produits à la législation en vigueur.
Le manuel qualité de XLG est rédigé pour satisfaire aux exigences de cette norme dans le cadre de la conception et de la fabrication d’échangeurs de chaleur et d’appareils à pression.
K VALEUR
C’est le terme généralement utilisé pour désigner le coefficient global de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur.
Elle est parfois décrite comme la valeur « U » globale, mais quelle que soit la désignation utilisée, elle est calculée de la même manière, en combinant les coefficients partiels de transfert de chaleur (cf.) avec la résistance de la paroi du tube et les éventuels facteurs d’encrassement :
K =1 / [ (1/ai ) + (1/ao ) + Rw + FFi + FFo ]
Où ?
- ai = coefficient de transfert de chaleur partiel du côté du tube
- ao = Coefficient de transfert de chaleur partiel du côté de la calandre
- Rw = Résistance de la paroi du tube
- FFi = Facteur d’encrassement côté tube
- FFo = Facteur d’encrassement du côté de la coque
LE COLMATAGE (ÉGALEMENT APPELÉ BLOCAGE)
Lorsque les fluides de travail d’un échangeur de chaleur contiennent des particules solides, il y a toujours un risque que les particules se déposent hors du liquide si la vitesse tombe en dessous d’une vitesse critique [la vitesse de décantation (cf.)] et qu’elles provoquent une accumulation de solides sur les surfaces des tubes. Si la teneur en solides est élevée ou si la taille des particules est importante par rapport au diamètre du tube, il existe un danger supplémentaire : les particules solides peuvent provoquer l’obstruction complète d’un tube.
Si l’échangeur de chaleur est une unité monotube avec un seul passage de fluide, l’obstruction sera immédiatement détectée car le flux côté tube sera réduit ou, au pire, complètement arrêté.
S’il s’agit d’une unité multitubulaire, il est fort probable que l’obstruction ne soit pas remarquée immédiatement, car le fluide circule toujours dans les tubes qui n’ont pas été obstrués. Dans les applications industrielles, cette situation sera probablement gênante à court terme, mais plus grave à long terme, car elle pourrait provoquer de la corrosion.
Dans les applications alimentaires cependant, un blocage partiel de ce type est beaucoup plus grave, car le blocage d’un ou deux tubes ne serait probablement pas remarqué immédiatement, mais il empêcherait le nettoyage CIP (cf.) et constituerait une menace sérieuse pour l’hygiène et la sécurité alimentaire, car les bactéries pourraient se développer dans le blocage et s’infiltrer dans le produit au cours du fonctionnement normal.
LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
Les procédures de contrôle de la qualité suivies par XLG sont documentées dans le manuel de qualité (cf.) et les procédures individuelles référencées dans le manuel.
Comme les processus de fabrication sont normalement sous-traités à des entreprises spécialisées, le contrôle de la qualité exercé par XLG consiste à documenter les normes de fabrication et les tests au moyen de dessins et/ou de spécifications de fabrication envoyés à l’entreprise tierce.
Les essais de pression et autres examens non destructifs (cf.) sont normalement vérifiés par le personnel de XLG pour s’assurer de la conformité avec les exigences de conception.
LES TYPES D’ÉCHANGEURS DE CHALEUR À CALANDRE ET À TUBES
Il existe de nombreux types d’échangeurs de chaleur à calandre et à tubes, chacun étant conçu pour répondre à un ensemble spécifique de critères de conception et de besoins d’application.
Les principaux types d’unités produites par XLG sont les suivants, mais il convient de garder à l’esprit que des variantes de ces types sont toujours disponibles pour répondre aux besoins d’applications spécifiques. La plupart des modèles peuvent être produits pour répondre aux exigences de l’industrie pharmaceutique ou aux normes EHEDG et 3-A.
- Unités multitubulaires à tube droit – type à tube fixe (série B) ou type démontable (série BD)
- Unités multitubulaires en U – normalement démontables (série BU)
- Unités monotubes à tube droit – type à tube fixe (série M) ou type démontable (série MD)
- Unités triples à tube droit – type à tube fixe
- Unités de type Kettle – Unités démontables à tube en U
L’EXAMEN PAR RESSUAGE
Le ressuage est une méthode d’examen non destructif (END) utilisée pour détecter les fissures superficielles dans les métaux.
Les métaux tels que l’acier au carbone souffrent de fissures après le soudage en raison du retrait de la soudure si les températures de préchauffage ne sont pas adéquates ou si les vitesses de refroidissement sont trop rapides. C’est pourquoi les soudures en acier au carbone sont régulièrement examinées par ressuage pour détecter les défauts de surface et par radiographie (cf.) pour détecter les défauts internes.
L’acier inoxydable ne souffre pas du même problème pendant le soudage, de sorte que la seule utilisation faite par XLG des examens par ressuage est l’investigation de la fissuration due à des conditions de travail inappropriées ou de la fissuration par corrosion sous contrainte (cf.) due à un choix inapproprié de matériaux.
LIVE STEAM
Ce terme s’applique à toute source de vapeur alimentée directement par une chaudière.
Il convient de garder à l’esprit que la vapeur vive est souvent acheminée vers l’équipement utilisateur par l’intermédiaire d’un détendeur, de sorte qu’à moins que le système ne soit équipé de soupapes de décharge réglées pour fonctionner à la pression maximale admissible (cf.) inférieure de l’équipement utilisateur, l’équipement doit être conçu pour la pression et la température maximales de la vapeur de la chaudière.
LMTD
Le LMTD est utilisé dans la conception des échangeurs de chaleur et correspond à la différence de température moyenne logarithmique entre les deux flux de fluides.
Il est calculé à partir de :
LMTD = [ ΔTA – ΔTB ] / [ ln (ΔTA /ΔTB ) ]
Où ?
- ΔTA = est la différence de température à une extrémité (A) de l’échangeur de chaleur
- ΔTB = est la différence de température à l’autre extrémité (B) de l’échangeur de chaleur.
Pour les échangeurs de chaleur à passage unique fonctionnant avec des fluides monophasés, la LMTD peut être utilisée directement dans le calcul du transfert de chaleur de la surface requise, mais si une construction à passages multiples est envisagée, avec plus d’un passage côté tube ou plus d’un passage côté calandre, un facteur de correction (F) doit être appliqué pour obtenir la différence de température moyenne effective (cf.).
LONGUEUR DU TUBE SANS SUPPORT
TEMA (cf.) contient des recommandations sur les longueurs maximales des tubes d’une gamme de diamètres qui devraient être autorisés à ne pas être soutenus.
Ces recommandations sont motivées par deux raisons principales :
- Les tubes s’affaisseront sous leur propre poids si la portée non soutenue est trop longue et peuvent entrer en collision les uns avec les autres dans des conditions d’écoulement.
- Des tubes plus longs auraient une fréquence naturelle plus basse (cf.), ce qui les rendrait sensibles aux vibrations et aux dommages qui en résulteraient.
Les recommandations de TEMA sont toutes basées sur des tubes de taille impériale, mais les longueurs de tubes métriques peuvent être obtenues par interpolation.
Les recommandations de TEMA sont les suivantes :
Portée (mm) | Maximale non soutenue (mm) |
---|---|
6,4 | 660 |
9,5 | 889 |
12,7 | 1118 |
15,9 | 1321 |
19,05 | 1524 |
22,2 | 1763 |
25,4 | 1880 |
31,8 | 2235 |
38,1 | 2540 |
50,8 | 3175 |
63,5 | 3175 |
76,2 | 3175 |
LONGUEUR ENTRE LES PLAQUES TUBULAIRES
Lors du calcul de la surface d’un échangeur de chaleur, seule la surface entre les surfaces intérieures des plaques tubulaires peut être utilisée et elle est calculée en utilisant la longueur du (des) tube(s) entre les plaques tubulaires.
Il faut garder à l’esprit qu’il est courant de définir la longueur des échangeurs de chaleur en utilisant une longueur « nominale » qui n’est pas nécessairement la longueur réelle du tube. Les tubes ondulés, en particulier, subissent un rétrécissement en raison du processus d’ondulation et des pertes à chaque extrémité en raison de la nécessité de s’assurer que le tube est d’une longueur exacte et qu’il a des extrémités carrées, ce qui se traduit par un tube raccourci.
Un tube nominal de 6000 mm, par exemple, aura une longueur de coupe réelle de 5908 mm et la longueur utilisée pour le transfert de chaleur sera [5908 – (2 x épaisseur de la plaque tubulaire)].
Si des plaques tubulaires doubles avec une lame d’air de séparation sont installées, la distance entre les surfaces intérieures des plaques tubulaires les plus proches doit être utilisée et la surface sera réduite en conséquence.
MARGE DE CORROSION
Sur les surfaces métalliques soumises à la pression et susceptibles d’être corrodées par le(s) fluide(s) en contact avec elles, il est normal d’ajouter une surépaisseur par rapport à l’épaisseur requise pour la pression, afin de tenir compte de l’amincissement du composant dû à la corrosion.
Pour les aciers au carbone, cette tolérance peut aller de 1,6 mm pour les faibles niveaux de corrosion à 3,0 mm pour les conditions très corrosives.
Avec les aciers inoxydables austénitiques utilisés par XLG, une tolérance à la corrosion n’est normalement pas nécessaire car il est peu probable que les composants souffrent de corrosion, mais le concepteur doit toujours être conscient de la possibilité de contamination par des substances corrosives et doit faire les tolérances appropriées le cas échéant.
Notez qu’il est normal d’exclure les tubes de cette tolérance ; on suppose que le matériau du tube sera toujours choisi pour assurer la résistance à toutes les formes de défaillance due à la corrosion.
MARGIN
Lors de la conception des échangeurs de chaleur, il y a souvent de nombreux facteurs inconnus en raison des incertitudes concernant les données précises sur les fluides, les températures, etc.
En plus des inconnues, le concepteur ne peut jamais être sûr que le système tel qu’il est construit fonctionnera comme prévu, que les pompes fourniront les débits corrects, que les autres équipements de traitement fonctionneront comme prévu, etc.
En raison des paramètres inconnus et des variations de performance, il est normal que le concepteur de l’échangeur de chaleur prévoie une surface supplémentaire par rapport à la surface requise pour la performance du transfert de chaleur.
Il s’agit de la marge de surface, qui est normalement exprimée en pourcentage de la surface installée, afin de donner une indication des variations que le système peut supporter.
Pour les applications à base d’eau, il s’agit généralement de 10 à 15 % de la surface installée et pour les applications à base d’huile, de 5 à 10 % de la surface installée, mais ces chiffres doivent être évalués au cas par cas pour toutes les applications.
MARTEAU D’EAU
Le coup de bélier (ou, plus généralement, le coup de bélier du fluide) est un coup de bélier ou une onde de pression provoqué(e) lorsqu’un fluide (généralement un liquide, mais parfois aussi un gaz) en mouvement est contraint(e) de s’arrêter ou de changer de direction brusquement (changement de momentum). Le coup de bélier se produit généralement lorsqu’une vanne se ferme soudainement à une extrémité d’un système de canalisation et qu’une onde de pression se propage dans la canalisation. Il est également appelé choc hydraulique.
Cette onde de pression peut causer des problèmes majeurs, allant du bruit et des vibrations à l’effondrement des conduites. Il est possible de réduire les effets des coups de bélier à l’aide d’accumulateurs et d’autres dispositifs.
MISE À L’ÉCHELLE
Dans les sources d’eau qui contiennent des sels de dureté, le plus souvent du chlorure de calcium, le sel perd de sa solubilité lorsque la température de l’eau augmente et a tendance à se déposer sur les surfaces chauffantes sous la forme d’un tartre de dureté.
Cette couche s’accumule progressivement et empêche le flux de chaleur, ce qui entraîne des problèmes de performance dans l’échangeur de chaleur. Le tartre doit donc être éliminé périodiquement pour que l’échangeur de chaleur retrouve ses performances optimales.
Si l’entartrage se produit du côté des tubes d’un échangeur de chaleur, il peut être éliminé mécaniquement à l’aide de brosses métalliques ou d’un jet d’eau à haute pression, mais si l’entartrage se produit du côté des surfaces de l’enveloppe, l’élimination chimique est généralement plus efficace.
Il est conseillé de prendre conseil auprès d’une entreprise de nettoyage spécialisée avant de procéder à un détartrage, car elle sera en mesure d’évaluer les agents détartrants en cause et de recommander la meilleure méthode de nettoyage en tenant compte des conditions du site, des matériaux de construction, etc.
MODULE DE YOUNG
Le module de Young, également connu sous le nom de module de traction, est une mesure de la rigidité d’un matériau élastique et une quantité utilisée pour caractériser les matériaux. Il est défini comme le rapport de la contrainte uniaxiale sur la déformation uniaxiale dans la plage de contraintes où la loi de Hooke s’applique. En mécanique des solides, la pente de la courbe contrainte-déformation en tout point est appelée module tangent. Le module tangent de la partie initiale et linéaire d’une courbe contrainte-déformation est appelé module de Young. Il peut être déterminé expérimentalement à partir de la pente d’une courbe contrainte-déformation créée lors d’essais de traction effectués sur un échantillon du matériau. Dans les matériaux anisotropes, le module d’Young peut avoir des valeurs différentes selon la direction de la force appliquée par rapport à la structure du matériau.
Il est également communément appelé module d’élasticité, car le module de Young est le module d’élasticité le plus couramment utilisé, mais d’autres modules d’élasticité sont également mesurés, tels que le module de volume et le module de cisaillement.
Il s’agit d’une propriété essentielle des matériaux utilisés dans la construction d’appareils à pression et d’échangeurs de chaleur. Elle est utilisée pour déterminer les niveaux de contraintes maximales dans une structure sous pression.
N.T.U.
La méthode du nombre d’unités de transfert (NTU) est utilisée pour calculer le taux de transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur (en particulier les échangeurs à contre-courant) lorsque les informations sont insuffisantes pour calculer le LMTD (cf.). Dans l’analyse des échangeurs de chaleur, si les températures d’entrée et de sortie du fluide sont spécifiées ou peuvent être déterminées par un simple bilan énergétique, la méthode LMTD peut être utilisée ; mais lorsque ces températures ne sont pas disponibles, la méthode NTU ou la méthode de l’efficacité est utilisée.
Pour définir l’efficacité d’un échangeur de chaleur, nous devons trouver le transfert de chaleur maximal possible qui peut être hypothétiquement réalisé dans un échangeur de chaleur à contre-courant de longueur infinie. Par conséquent, l’un des fluides subira la différence de température maximale possible, qui est la différence de température entre la température d’entrée du flux chaud et la température d’entrée du flux froid. La méthode consiste à calculer les taux de capacité thermique (c’est-à-dire le débit massique multiplié par la chaleur spécifique) et pour les fluides chaud et froid respectivement, et à désigner le plus petit par . La raison de la sélection du plus petit taux de capacité thermique est d’inclure le transfert de chaleur maximal possible entre les fluides de travail pendant le calcul.
Une quantité est alors trouvée, où est la chaleur maximale qui pourrait être transférée entre les fluides. D’après l’équation ci-dessus, pour obtenir un transfert de chaleur maximal, la capacité thermique doit être minimisée puisque nous utilisons la différence de température maximale possible. Cela justifie l’utilisation de dans l’équation.
L’efficacité (E) est le rapport entre le taux de transfert de chaleur réel et le taux de transfert de chaleur maximal possible :
où
L’efficacité est une grandeur sans dimension comprise entre 0 et 1. Si nous connaissons E pour un échangeur de chaleur particulier, et si nous connaissons les conditions d’entrée des deux flux, nous pouvons calculer la quantité de chaleur transférée entre les fluides de la manière suivante
Pour tout échangeur de chaleur, on peut montrer que
Pour une géométrie donnée, peut être calculé à l’aide de corrélations en termes de « ratio de capacité thermique
Le nombre d’unités de transfert, , est
Où est le coefficient global de transfert de chaleur et est la zone de transfert de chaleur.
NEOPRENE
Le néoprène est un caoutchouc synthétique utilisé sous une grande variété de formes pour différentes applications.
Il présente une excellente résistance à la déformation par compression (cf.) et une faible perméabilité aux gaz, ce qui en fait un matériau utile pour les joints toriques et les joints d’étanchéité.
Le néoprène peut être utilisé dans une plage de température allant de -20°C à + 95°C en exposition continue, mais peut résister à des températures allant jusqu’à 200°C pendant de courtes périodes.
NITRILE
Le caoutchouc nitrile (également connu sous le nom de Buna-N ou NBR) est un caoutchouc synthétique utilisé sous une grande variété de formes pour différentes applications.
Il présente une excellente résistance aux huiles et est donc très utile pour les joints toriques et les joints d’étanchéité dans les applications d’échangeurs de chaleur à base d’huile.
Le nitrile peut être utilisé dans une plage de température allant de -30°C à + 120°C en exposition continue, mais peut résister à des températures allant jusqu’à 200°C pendant de courtes périodes.
NON CONDENSABLE
Dans certaines applications de condensation ou d’utilisation d’une vapeur comme moyen de chauffage, il est parfois possible que le flux de vapeur soit contaminé par un gaz non condensable. Dans les condenseurs à évent, il peut s’agir d’air ou de tout autre gaz utilisé pour recouvrir le liquide dans le récipient, et dans les condenseurs à vapeur, il s’agit généralement d’air.
Les systèmes de chaudières sont généralement traités pour minimiser la teneur en oxygène de l’eau de chaudière, mais dans les systèmes complexes, il y a souvent des fuites d’air dans le système à cause de fuites au niveau des joints des vannes ou des pompes.
Le concepteur de l’échangeur de chaleur doit en tenir compte en calculant un facteur de correction basé sur les quantités relatives de gaz et de vapeur et les charges thermiques relatives qui en résultent.
NON-NEWTONIAN
Un fluide non newtonien est un fluide dont les propriétés diffèrent d’une manière ou d’une autre d’un fluide newtonien. Le plus souvent, les valeurs de viscosité des fluides non newtoniens dépendent du taux de cisaillement.
En pratique, cela signifie que lorsque les données du fluide sont entrées dans les équations de transfert de chaleur pour les fluides non newtoniens, une viscosité et le taux de cisaillement associé doivent être entrés afin que le logiciel puisse calculer la viscosité apparente sur la base de la vitesse du fluide à travers les tubes de l’échangeur de chaleur.
Si le concepteur de l’échangeur de chaleur est confronté à un fluide non newtonien, il doit obtenir (soit auprès du client, soit à partir de données standard) des valeurs pour la viscosité et les taux de cisaillement associés dans la plage de température de fonctionnement.
NORME DE QUALITÉ
Il définit les normes de conception et/ou de fabrication auxquelles l’échangeur de chaleur doit se conformer.
Il existe deux sources pour ces normes de qualité :
- Codes nationaux ou internationaux – la conformité à ces codes est normalement obligatoire.
- Normes de qualité définies par les entreprises individuelles pour définir les normes qu’elles exigent pour des contrats ou des projets spécifiques – le respect de ces normes est une décision commerciale.
Lorsque des normes de qualité spécifiques sont incluses dans une demande ou un contrat, l’équipement doit être conforme aux normes définies.
ORGANISME NOTIFIÉ
En vertu de la directive européenne sur les équipements sous pression (directive 97/23/CE), la sécurité de chaque récipient sous pression (y compris les échangeurs de chaleur) doit être évaluée afin de déterminer le risque qu’il représente. Pour les récipients présentant un risque de sécurité élevé, principalement ceux ayant un très grand volume ou manipulant des fluides dangereux (cf. données sur les fluides), un degré élevé de surveillance de la conception et de la fabrication par une inspection tierce partie dûment qualifiée est exigé.
Les services d’inspection en tierce partie sont examinés par l’Union européenne pour confirmer leur expertise dans l’exécution de ce travail et ceux qui sont approuvés peuvent être nommés en tant qu’organismes notifiés selon les termes de directives spécifiques. Lorsqu’ils sont nommés en tant qu’organismes notifiés, ils sont autorisés à effectuer l’examen de la conception et la surveillance de la fabrication exigés par la directive.
Il est important de noter que les organismes notifiés sont tenus, en vertu de la directive, de connaître les fabricants d’équipements et le système de gestion de la qualité qu’ils ont mis en place, et qu’ils agissent au nom de l’Union européenne pour veiller à ce que les exigences de la directive soient pleinement respectées. C’est pourquoi la directive européenne sur la pression stipule clairement que c’est le fabricant qui a la responsabilité de désigner l’organisme notifié pour effectuer ses inspections, etc. Le client ou l’utilisateur final n’a pas le droit de désigner un organisme notifié spécifique. Si un client souhaite désigner un inspecteur tiers indépendant, il a le droit de le faire, à ses frais, mais cet inspecteur NE PEUT PAS agir en tant qu’organisme notifié, à moins que le fabricant n’y consente.
PARTICULES
Généralement rencontré dans les applications alimentaires, ce terme est utilisé pour désigner les morceaux solides du produit dans un flux liquide. Par exemple, lors du traitement des purées, il est assez courant de constater que la purée contient des morceaux du fruit qui a été réduit en purée.
Il est important que le concepteur de l’échangeur de chaleur soit conscient de la présence de particules, car le diamètre intérieur minimal des tubes doit (en règle générale) être au moins trois fois supérieur à la section maximale des particules afin d’éviter le blocage (cf. colmatage) des tubes de transfert de chaleur.
PASSIVATION
La passivation est le processus qui consiste à rendre les composants en acier inoxydable résistants à la corrosion.
Les processus de passivation requis lors de la fabrication des échangeurs de chaleur XLG se limitent normalement à la réparation des zones affectées par les soudures pour les ramener à leur état d’origine et un gel acide combiné de décapage et de passivation est utilisé pour y parvenir. Après que le gel a été en contact avec les zones affectées par la soudure pendant la durée recommandée par les fournisseurs de pâte, il est lavé à l’eau claire.
Si les composants en acier inoxydable ont été contaminés par des résidus d’acier au carbone, un processus plus complet est utilisé.
Les composants sont d’abord nettoyés à fond pour éliminer toute contamination par l’huile et la graisse, puis ils sont complètement immergés dans un bain d’acide passivant. Le mélange et la force de la solution acide doivent être discutés avec les métallurgistes des fournisseurs d’acier inoxydable, car la qualité de l’acier inoxydable utilisé détermine ces paramètres.
Un guide utile et plus complet sur la passivation des composants en acier inoxydable est disponible à l’adresse suivante : http://www.mmsonline.com/articles/how-to-passivate-stainless-steel-parts
PATRONS DE TUBES
Les configurations de tubes utilisées dans les échangeurs de chaleur multitubulaires XLG sont également tirées de la section 5 RCB 2.4 de TEMA, la plus couramment utilisée étant la configuration triangulaire à 30º qui donne la plus grande densité de tubes dans une configuration donnée.
PLAQUES DE SUPPORT
Dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire, chaque diamètre de tube a une longueur de tube non supportée recommandée (cf.). Pour obtenir une conception économique, il est parfois nécessaire d’utiliser des longueurs de tubes qui dépassent les longueurs maximales recommandées. Les tubes doivent donc être soutenus à des longueurs intermédiaires afin de minimiser le risque de vibration des tubes et de provoquer une défaillance.
Le support nécessaire est souvent fourni par des plaques de support qui sont essentiellement des plaques de déflecteur avec une grande découpe (généralement un maximum de 45% du diamètre du déflecteur) montées à intervalles sur la longueur du faisceau de tubes.
PLAQUES D’IMPACT
Dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire, il existe une zone problématique potentielle située directement sous les raccords d’entrée et de sortie du côté du faisceau tubulaire de l’échangeur de chaleur. Il est courant de faire correspondre ces raccordements aux dimensions des tuyauteries des concepteurs du système, mais cela peut entraîner une vitesse de fluide plus élevée que souhaitable à travers les raccordements.
Un autre facteur est la nature du fluide qui circule dans les raccords. S’il s’agit d’un liquide propre sans solides ni air entraîné, il n’y a pas de problème, mais si le fluide peut contenir des solides ou des gaz entraînés – ou, dans le cas des gaz et des vapeurs, des gouttelettes de liquide – une vitesse élevée à travers les raccords peut entraîner des problèmes d’érosion de la zone des tubes située directement sous les raccords. Pour éviter que les tubes ne soient endommagés, une plaque d’impact est installée dans l’espace de l’enveloppe directement sous les raccords afin d’absorber une partie des effets néfastes.
Les recommandations pour le dimensionnement des plaques d’impact et les méthodes d’évaluation de leur nécessité sont contenues dans la section 5 RCB-4.6 de TEMA et il est recommandé d’étudier cette section si l’on pense qu’il peut y avoir un problème avec une application spécifique. Il convient de garder à l’esprit que les connexions latérales des tubes peuvent également – dans certaines circonstances – conduire à une érosion latérale des tubes et la section 5 RCB-4.63 de TEMA donne des recommandations en matière de protection.
PLAQUES D’ORIFICE
Les plaques à orifice sont utilisées pour réguler ou mesurer le débit dans une conduite en introduisant une résistance fixe et connue dans la conduite (l’orifice) et en mesurant la perte de pression à travers celle-ci.
Pour des écoulements de liquides (incompressibles) à travers une plaque à orifice :
- m = r x Q = C x A2 x [ 2 x r x (P1 – P2 ) ]^.0,5
Où ?
- Q = Débit volumétrique en m³/s
- m = Débit massique en kg/s
- C = Coefficient de débit de l’orifice – généralement fixé à 0,62 pour les approximations.
- A1 = Surface de la section transversale du tuyau en m²
- A2 = Surface de la section de l’orifice en m²
- r = Densité du fluide en kg/m³
- P1 = Pression amont en Pa
- P2 = Pression aval en Pa
Les fluides compressibles tels que les gaz et les vapeurs sont calculés différemment et il convient de se référer à la littérature standard pour ces équations qui nécessitent les données supplémentaires suivantes :
- R = Constante universelle des gaz = 8,3145 J/mol.k
- K = Rapport des chaleurs spécifiques [ Cp /Cv ]
- M = Masse moléculaire du gaz ou de la vapeur en kg/mol (également appelée poids moléculaire)
- T = Température du gaz en amont en degrés Kelvin (ºC + 273)
- P1 = Pression du gaz en amont en Pa
- P2 = Pression du gaz en aval en Pa
- Z = facteur de compressibilité du gaz à T1 et P1
PLATEAU DE NOM
Conformément aux dispositions de la directive européenne sur les équipements sous pression 97/23/CE (cf.), une plaque signalétique portant le marquage CE et donnant les informations suivantes pour tous les circuits de fluides DOIT être fixée de manière permanente sur l’équipement sous pression :
- Pressions maximales admissibles
- Températures maximales admissibles
- Volumes de fluides contenus
- Catégories de fluides (selon la directive 97/23/CE)
- Pressions d’essai
- Le nom et les coordonnées (adresse, numéro de téléphone, etc.) du fabricant
- Désignation du modèle
- Utilisation prévue (échangeur de chaleur ou enceinte de confinement)
- Un numéro de série unique
- Le numéro d’enregistrement de l’organisme notifié (pour les navires de catégorie II et supérieure)
- L’année de fabrication
- La date de l’inspection
- Les provisions pour corrosion
- La marque CE conformément à la directive 97/23/CE Annexe VI
Si l’équipement ne peut pas être marqué CE (voir la directive 97/23/CE, article 3, paragraphe 3), la plaque signalétique doit comporter tous les détails indiqués ci-dessus, mais la marque CE NE PEUT PAS être incluse.
Il convient de noter que l’enlèvement ou la dégradation d’une plaque signalétique apposée sur un équipement sous pression constitue une infraction à la directive européenne relative aux équipements sous pression. Si les conditions de conception de l’équipement sont modifiées ou corrigées pour quelque raison que ce soit, cela doit se faire sous la supervision du fabricant d’origine. Si l’équipement est de catégorie II ou supérieure, un organisme notifié doit revérifier les conceptions/équipements avant que les modifications n’aient lieu. Si l’équipement a été exporté vers un autre pays européen, le fabricant doit prendre des dispositions pour qu’un organisme notifié autorisé à travailler dans le pays d’utilisation supervise les modifications et la substitution de la plaque signalétique.
Il convient également de noter que si un échangeur de chaleur est constitué de plusieurs unités en série/parallèle, l’équipement doit être classé, testé et inspecté en utilisant les volumes contenus dans l’unité entière, auquel cas une seule plaque signalétique peut être apposée.
POINT DE BULLE
Lors du chauffage d’un liquide composé de deux ou plusieurs éléments, le point de bulle est le point où se forme la première bulle de vapeur. Étant donné que la vapeur aura probablement une composition différente de celle du liquide, le point de bulle (ainsi que le point de rosée) à différentes compositions sont des données essentielles lors de la conception des systèmes de distillation.
Pour les liquides à un seul composant, le point de bulle et le point de rosée sont identiques et sont communément appelés le point d’ébullition du liquide.
POINT D’EAU
Le point de rosée d’une vapeur est la température à laquelle la vapeur se condense. Dans le cas d’une vapeur à un seul composant, il s’agit de la température de condensation, mais dans le cas de mélanges à plusieurs composants, il s’agit de la température à laquelle le premier composant commence à se condenser.
Il est important de noter qu’avec les fluides de condensation à plusieurs composants, lorsque les composants individuels atteignent leur point de rosée (à la pression partielle du composant), la composition de la vapeur et les pressions partielles individuelles changent et il y a une plage de températures pour le processus de condensation.
Pour les concepteurs d’échangeurs de chaleur, cela est important car la différence de température varie au cours du processus et la conception doit tenir compte de ce changement.
POINTS DE MISE À LA TERRE
Lorsqu’un liquide ou un gaz traverse un échangeur de chaleur, il est possible que de l’électricité statique s’accumule sur les surfaces de l’unité et, à moins que celles-ci ne soient mises à la terre en toute sécurité, cela peut être désagréable pour un opérateur qui touche la surface et, plus important encore, cela peut être dangereux s’il y a des substances inflammables ou explosives dans la zone de travail.
Dans les applications présentant ces risques, il est courant de fixer un « Earthling Boss » à un point pratique de l’échangeur de chaleur, généralement un support soudé.
Le bossage de mise à la terre se présente sous la forme d’une douille femelle vissée et soudée à la structure, dans laquelle une tige de laiton ou de cuivre est vissée et fixée. Sur le site, un câble de mise à la terre sera fixé à cette tige vissée et connecté à un piquet de terre pour ramener toute électricité statique à la terre.
POURCENTAGE DE SOLIDES DISSOUS
Le total des solides dissous (souvent abrégé en TDS) est une mesure de la teneur combinée de toutes les substances inorganiques et organiques contenues dans un liquide sous forme moléculaire, ionisée ou micro-granulaire (solution colloïdale) en suspension.
Généralement, la définition opérationnelle est que les solides doivent être suffisamment petits pour survivre à la filtration à travers un tamis de la taille de deux microns. Le total des solides dissous n’est normalement abordé que pour les systèmes d’eau douce, car la salinité comprend certains des ions constituant la définition du TDS.
Bien que le TDS ne soit généralement pas considéré comme un polluant primaire (c’est-à-dire qu’il n’est pas associé à des effets sur la santé), il est utilisé comme indication des caractéristiques esthétiques de l’eau potable et comme indicateur global de la présence d’un large éventail de contaminants chimiques.
POURCENTAGE DE SOLIDES EN SUSPENSION
Le total des solides en suspension est une mesure de la qualité de l’eau généralement abrégée en MES. Il est répertorié comme un polluant conventionnel et était autrefois appelé résidu non filtrable (RNF), terme qui désigne le poids sec des particules piégées par un filtre, généralement d’une taille de pore spécifiée.
PRESSIONS ATMOSPHÉRIQUE
La pression atmosphérique « standard » est normalement considérée comme étant de 1013 mBar au niveau de la mer.
Si l’équipement fonctionne à une altitude importante, la densité de l’air doit être corrigée pour tenir compte de la pression réduite, car cela réduit le débit massique pour un débit volumique donné. Ceci est particulièrement important pour les échangeurs de chaleur utilisant l’air à pression atmosphérique comme moyen de refroidissement, tels que les radiateurs à air pulsé et les tours de refroidissement par évaporation, mais affecte également le volume pris dans les compresseurs d’air.
PRESSIONS DE CONCEPTION
Selon les règles de la directive sur les équipements sous pression (cf.), les échangeurs de chaleur sont définis comme des récipients sous pression et doivent donc être conçus pour résister à la pression prévisible la plus élevée à laquelle l’équipement sera soumis. Dans le cas des condenseurs de vapeur, il s’agit normalement du réglage de la soupape de sûreté + 10 % de pression positive, mais aussi du vide total (cf.), en supposant qu’à un moment donné de sa durée de vie, les vannes d’isolement seront fermées alors que l’échangeur de chaleur sera rempli de vapeur qui se condensera pour produire des conditions de vide.
C’est le concepteur du système qui doit spécifier la pression maximale à utiliser, car elle dépend des capacités de la pompe, des réglages de la soupape de sûreté et des pertes du système. Le concepteur de l’échangeur de chaleur a la responsabilité légale, en vertu de la directive sur les appareils à pression, de s’assurer que l’équipement est correctement conçu et peut être utilisé en toute sécurité.
La règle doit donc toujours être la suivante : Si la pression maximale de service n’est pas indiquée par l’utilisateur final lors de sa demande, il faut toujours demander quelle sera cette pression.
Il convient de noter que, dans le cas des unités chauffées à la vapeur ou des condenseurs, l’alimentation en vapeur des échangeurs de chaleur est souvent réduite par rapport à la pression de la chaudière au moyen d’un détendeur automatique (cf.) et, en cas de défaillance du détendeur, la pression plus élevée de la vapeur peut atteindre l’échangeur de chaleur. Cette pression plus élevée doit être utilisée comme pression de conception, à moins qu’un dispositif de décharge de pression ne soit installé pour limiter la pression à une valeur inférieure.
PRESSIONS DE FONCTIONNEMENT
Selon les règles de la directive européenne relative aux équipements sous pression (cf.), le concepteur du récipient sous pression ou de l’échangeur de chaleur doit établir, au mieux de ses possibilités, la pression maximale de fonctionnement de l’équipement.
Comme cela dépend de nombreux facteurs qui échappent à son contrôle direct, il est essentiel que l’utilisateur final ou le concepteur du système donne cette information de manière claire et sans équivoque. Dans le cas contraire, l’équipement pourrait s’avérer dangereux à utiliser.
Si cette valeur n’est pas clairement définie, le concepteur de l’échangeur de chaleur doit indiquer de manière claire et non équivoque les valeurs qu’il a utilisées pour préparer sa conception.
Les pressions maximales de fonctionnement doivent également être clairement indiquées sur la plaque signalétique de l’échangeur de chaleur afin que l’utilisateur de l’équipement connaisse les limites de pression.
La pression maximale de fonctionnement est normalement calculée à partir de la pression de levée d’une soupape de sûreté ou de la pression de rupture d’un disque de rupture + 10 % qui représente l’accumulation (cf.) de la pression à travers la soupape ou le disque lorsqu’il a fonctionné.
PRESSION D’ESSAI
Pour tester la résistance et l’étanchéité des échangeurs de chaleur (et de la plupart des autres récipients sous pression), il est normal de pressuriser l’unité à une pression supérieure à la pression de calcul (cf.).
Les codes de conception mécanique décrivent la méthode qui doit être utilisée pour déterminer la pression d’essai et prennent généralement en compte les résistances relatives des matériaux à la température atmosphérique et à la température de conception afin de soumettre le matériau à un essai réaliste.
Le code de conception européen EN13445-5 définit la pression d’essai comme suit :
Pas moins que le montant le plus élevé de l’un ou l’autre :
- [1] Pt = 1,25 x Ps x (f /f )at
- ou
- [2] Pt = 1,43 x Ps
où
- Ps = Pression de service maximale admissible
- Pt = Pression d’essai à appliquer
- fa = contrainte nominale admissible pour le composant le plus faible à la température d’essai
- ft = contrainte nominale admissible à la température de service maximale admissible
Il est normal d’appliquer les pressions d’essai indépendamment (l’autre circuit de fluide étant vide et dépressurisé) pendant une durée de 30 minutes ou pendant la durée requise par tout organisme d’inspection tiers (cf.) responsable de l’inspection finale de l’échangeur de chaleur.
PRESSION MAXIMALE ADMISSIBLE
Selon les règles de la directive européenne relative aux équipements sous pression, il s’agit de la pression de conception de l’équipement et de la pression la plus élevée que l’utilisateur final est autorisé à appliquer à l’équipement.
RACLAGE
Dans les systèmes utilisant des échangeurs de chaleur monotubes pour traiter des produits de l’industrie alimentaire, il est souhaitable de récupérer un maximum de produit du système avant toute opération de nettoyage CIP (cf.).
Pour les produits à faible viscosité tels que les jus clairs et autres liquides, il peut suffire de vidanger le produit par des vannes de décharge appropriées, mais pour les produits plus visqueux tels que les purées ou le miel, la vidange de l’ensemble du système prendrait trop de temps pour une utilisation efficace de l’installation.
Pour ces produits plus visqueux, il est courant d’utiliser un système connu sous le nom de « raclage », qui consiste à forcer le produit à sortir du système en utilisant soit de l’eau qui s’écoule dans le système, soit des « racleurs » solides qui sont des formes élastomères flexibles conçues pour correspondre au diamètre interne de la tuyauterie et des échangeurs de chaleur.
Dans le cas du raclage à l’eau, il faut prévoir un système de dérivation du produit avant que l’eau qui le suit n’entre dans le système de traitement. Cette opération entraîne inévitablement une perte de produit, car le concepteur du système doit envisager le pire des scénarios et gaspiller le produit plutôt que de risquer de le voir contaminé par l’eau.
Avec les racleurs solides, les pertes de produit tendent à être plus faibles, mais les diamètres internes des tuyaux du système et de l’échangeur de chaleur doivent correspondre exactement et tous les coudes doivent être dimensionnés de manière à permettre le passage du racleur. Les racleurs sont flexibles, mais leur capacité à se plier est limitée.
Le fournisseur de porcs doit être consulté au cours des étapes initiales de la conception afin de connaître ses diamètres standard et le rayon de courbure minimal qu’ils sont censés franchir.
RAINURES DANS LES TROUS DU TUBE
Lorsque les tubes sont expansés dans des plaques tubulaires (pour plus de sécurité, pour les unités pharmaceutiques avec des plaques tubulaires doubles ou lorsque les matériaux du tube et de la plaque tubulaire ne peuvent pas être soudés ensemble), il est conseillé d’ancrer les tubes dans les plaques tubulaires au moyen de rainures peu profondes usinées dans la plaque tubulaire.
La section TEMA 5-7.24 donne des détails sur les rainures, mais en termes généraux, si l’épaisseur de la plaque tubulaire est supérieure à 25,4 mm, TEMA exige deux rainures. Pour les plaques tubulaires d’une épaisseur inférieure ou égale à 25,4 mm, une seule rainure est autorisée.
Chaque rainure doit avoir une profondeur de 0,4 mm et une largeur de 3,2 mm.
Il a été démontré par des tests qu’un joint expansé à rouleaux entre le tube et la plaque tubulaire avec des rainures nécessite une force significativement plus importante pour sortir le tube de la plaque tubulaire qu’un joint sans rainures, de sorte que dans les applications où il y a une expansion différentielle significative entraînant une charge d’extrémité de tube élevée, la conception sera plus sûre.
RAYONS X
Les rayons X sont utilisés pour examiner un matériau tel que le matériau de construction d’un échangeur de chaleur afin de vérifier la présence de discontinuités dans les zones soudées ainsi que dans le matériau de base. En utilisant les propriétés physiques du rayon, il est possible de développer une image qui montre des zones de densité et de composition différentes.
Un faisceau hétérogène de rayons X est produit par un générateur de rayons X et est projeté vers la zone examinée. En fonction de la densité et de la composition des différentes zones de l’objet, une partie des rayons X est absorbée par l’objet. Les rayons X qui passent sont ensuite captés derrière l’objet par un détecteur (film sensible aux rayons X ou détecteur numérique) qui donne une représentation en 2D de toutes les structures superposées.
REBOILERS
Les rebouilleurs sont des échangeurs de chaleur généralement utilisés pour fournir de la chaleur au bas des colonnes de distillation industrielles. Ils font bouillir le liquide du bas d’une colonne de distillation pour générer des vapeurs qui sont renvoyées dans la colonne pour entraîner la séparation de la distillation.
Le bon fonctionnement du rebouilleur est essentiel pour une distillation efficace. Dans une colonne de distillation classique typique, toute la vapeur entraînant la séparation provient du rebouilleur. Le rebouilleur reçoit un flux de liquide provenant du bas de la colonne et peut partiellement ou totalement vaporiser ce flux. La vapeur fournit généralement la chaleur nécessaire à la vaporisation.
L’élément le plus critique de la conception d’un rebouilleur est la sélection du type de rebouilleur approprié pour un service spécifique. La plupart des rebouilleurs sont de type échangeur de chaleur à calandre et à tubes et la vapeur est normalement utilisée comme source de chaleur dans ces rebouilleurs. Cependant, d’autres fluides de transfert de chaleur tels que l’huile chaude ou le Dowtherm (TM) peuvent être utilisés.
Les rebouilleurs de type échangeur de chaleur couramment utilisés sont les suivants :
Rebouilleurs de bouilloire
Un rebouilleur à bouilloire chauffé à la vapeur typique pour les tours de distillation.
Rebouilleurs à thermosiphon
Ils ne nécessitent pas de pompage du liquide dans le rebouilleur, la circulation naturelle est obtenue en utilisant la différence de densité entre le liquide de fond de colonne à l’entrée du rebouilleur et le mélange liquide-vapeur à la sortie du rebouilleur afin de fournir une hauteur de liquide suffisante pour acheminer le liquide dans le rebouilleur. Les rebouilleurs à thermosiphon (également appelés calandres) sont plus complexes que les rebouilleurs à bouilloire et nécessitent plus d’attention de la part des opérateurs de l’usine.
Il existe de nombreux types de rebouilleurs à thermosiphon. Ils peuvent être verticaux ou horizontaux et peuvent également être à passage unique ou à recirculation. Certains fluides rebouillant peuvent être sensibles à la température et, par exemple, sujets à la polymérisation par contact avec les parois des tubes de transfert de chaleur à haute température. Dans ce cas, il est préférable d’avoir un taux de recirculation du liquide élevé pour éviter que les températures des parois des tubes ne soient élevées, ce qui provoquerait une polymérisation et, par conséquent, l’encrassement des tubes.
La volatilité relative de l’alimentation du rebouilleur doit être prise en compte avant de concevoir les rebouilleurs à thermosiphon. Le taux de recirculation et le profil de pression de la boucle du thermosiphon doivent être calculés en équilibrant la pression d’entraînement et les pertes de pression du système.
Rebouilleur à circulation forcée chauffé à la vapeur typique pour les tours de distillation.
Rebouilleur à circulation forcée
Ce type de rebouilleur utilise une pompe pour faire circuler le liquide dans le rebouilleur.
Il convient de noter que la vapeur n’est pas la seule source de chaleur utilisable. Tout flux de fluide à une température suffisamment élevée peut être utilisé pour l’un des nombreux types de rebouilleurs à échangeur de chaleur à calandre et à tube.
RÉDUCTEURS CONCENTRIQUES
Lorsque la tuyauterie entrante et sortante du côté tube d’un échangeur de chaleur diffère en taille du diamètre de l’enveloppe, une transition doit être faite de l’une à l’autre. Cette opération peut être effectuée par le fournisseur de la tuyauterie, mais elle est souvent réalisée à l’aide d’un collecteur à chaque extrémité, dont les raccords correspondent à la tuyauterie adjacente et qui sont boulonnés ou soudés à l’échangeur de chaleur pour former les raccords côté tube.
Une autre méthode pour les échangeurs de chaleur à passage unique, lorsque le changement de diamètre est modeste, consiste à utiliser un réducteur conique qui comporte un raccord correspondant à la tuyauterie adjacente à une extrémité et un raccord correspondant à l’échangeur de chaleur à l’autre extrémité.
Dans un réducteur concentrique, ces deux raccords de tailles différentes sont situés sur la même ligne médiane, de sorte que la tuyauterie adjacente est alignée sur la ligne médiane de l’échangeur de chaleur.
Il est important de noter que, lorsqu’ils sont montés horizontalement, les échangeurs de chaleur équipés de réducteurs concentriques ne peuvent pas être autovidangeables du côté des tubes.
Un autre point important à noter est que si le diamètre de la tuyauterie spécifié par le concepteur du système entraîne une vitesse élevée dans la tuyauterie, il peut y avoir un effet de jet à travers le collecteur conique, ce qui peut entraîner des vitesses différentielles à travers les tubes de l’échangeur de chaleur.
Les effets de cette mauvaise répartition du fluide sur la surface de la plaque tubulaire peuvent avoir plusieurs conséquences néfastes.
- Différents taux de transfert de chaleur à travers le faisceau de tubes
- Différentes températures de la paroi du tube à travers le faisceau de tubes
- Différents taux de dilatation du tube à travers le faisceau de tubes
- Différents niveaux de contrainte à travers le faisceau de tubes
Le plus important d’entre eux est probablement les différents niveaux de contrainte causés par les trois facteurs précédents, car ils peuvent entraîner des distorsions de la plaque tubulaire et donc des fissures dans les soudures d’extrémité des tubes.
RÉDUCTEURS EXCENTRIQUES
Semblable au réducteur concentrique (cf.) mais avec les lignes médianes des deux connexions décalées l’une par rapport à l’autre.
Il est important de noter que lorsqu’il est monté horizontalement avec les côtés parallèles à l’axe central de l’échangeur de chaleur dans les positions correctes, l’échangeur de chaleur peut être rendu largement auto-drainant et auto-ventilé.
REFROIDISSEMENT INSTANTANÉ
Également connu sous le nom de refroidissement sous vide, le refroidissement flash est une technique qui combine le refroidissement d’un liquide avec un processus de concentration.
En introduisant un liquide chaud sous pression dans une chambre soumise à une pression ou à un vide plus faible, de la vapeur est émise jusqu’à ce que le liquide atteigne l’équilibre thermique. Cela entraîne une réduction instantanée de la température du liquide, et la concentration de solides secs augmente.
Le liquide concentré est évacué par pompage.
En fonction de la température initiale, de la pression ou du niveau de vide maintenu dans le récipient, de la température finale et des propriétés du liquide, la concentration peut être augmentée de 1 à 10 % de matières sèches et la température peut être abaissée jusqu’à 0°C.
Le choix de la température finale peut être fait indépendamment du processus, mais plus le refroidissement est important, plus la concentration augmente.
SILICONE
Le silicone est un élastomère (cf.) utilisé dans une large gamme de joints d’étanchéité.
Il est principalement utilisé dans les applications alimentaires et peut être fourni avec un certificat d’approbation de la FDA. Il a une température maximale de service continu de +200°C et convient à la plupart des applications à base d’huile.
Sa température minimale de service est de -40°C.
Il ne convient pas aux applications nécessitant une résistance élevée à la traction, à la déchirure ou à l’abrasion.
SOUFFLETS
Dans tout échangeur de chaleur, une grande différence de température entre la température du métal du tube et la température de l’enveloppe peut produire une différence significative dans la dilatation (ou la contraction) des tubes et de l’enveloppe de l’échangeur de chaleur.
Cette différence de croissance globale peut produire des niveaux de contrainte inacceptables à la fois dans les tubes et dans l’enveloppe, à moins qu’on ne leur permette de se dilater ou de se contracter jusqu’à leur position naturelle aux températures de fonctionnement. Une façon d’y parvenir est d’utiliser une conception dans laquelle une extrémité du faisceau de tubes est autorisée à se dilater/contracter à l’intérieur de l’enveloppe (comme les conceptions « plaque tubulaire flottante emballée » ou « tête flottante emballée » illustrées dans TEMA ou les unités des séries MD et BD de XLG), mais une solution plus économique est d’installer un soufflet d’expansion dans l’enveloppe qui permettra aux différences de longueur d’être absorbées sans produire de contraintes excessives.
Il existe deux types de soufflets de dilatation (également appelés joints de dilatation) utilisés dans les applications de tuyauterie et d’échangeurs de chaleur : les soufflets à simple convolution à paroi épaisse utilisés dans les industries pétrochimiques et les soufflets à multi-convolution à paroi mince utilisés dans d’autres applications industrielles.
La gamme XLG d’unités à plaques tubulaires fixes (séries XLG B, Multitube, Monotube et Pharmagrade) utilise des soufflets multi-convolution à parois minces en acier inoxydable pour minimiser les niveaux de contrainte dans les tubes et l’enveloppe.
La base de calcul utilisée pour les soufflets multi-convolution à paroi mince est normalement le code de l’Association américaine des fabricants de joints de dilatation (EJMA) qui, pour les différents types de soufflets et de supports de soufflets, donne des formules pour les mouvements axiaux et angulaires et les niveaux de contrainte de calcul. La recommandation de l’EJMA est que, sauf indication contraire de l’utilisateur final, le concepteur doit supposer que la durée de vie minimale du soufflet (en cas de rupture par fatigue) est de 3500 cycles.
Si le soufflet est dilaté/contracté et pressurisé/dépressurisé une fois par jour, cela représente une durée de vie de plus de 9½ ans, mais dans de nombreuses applications telles que les systèmes de chauffage CIP, les cycles de température et de pression seront beaucoup plus rapides. Il est donc très important que le mode de fonctionnement des échangeurs de chaleur soit établi lors de la phase initiale de conception afin de pouvoir tenir compte d’un plus grand nombre de cycles.
En réalité, les soufflets à paroi mince utilisés dans des applications de faible diamètre, à basse pression et à basse température ont une durée de vie presque infinie car les niveaux de contrainte dans des conditions de travail normales sont faibles.
Dans le cadre du processus de conception des soufflets, le concepteur obtient le « taux d’élasticité » du soufflet, c’est-à-dire la force nécessaire pour dilater ou comprimer le soufflet. Cette contrainte sera transmise aux tubes et à l’enveloppe dans les conditions de travail et doit être prise en compte dans la conception de ces deux composants ainsi que des plaques tubulaires.
Si le soufflet est acheté auprès d’un fournisseur extérieur, le taux d’élasticité du soufflet doit être obtenu auprès du fournisseur du soufflet. Il est important de noter que les techniques de fabrication varient et que si certains fournisseurs utilisent quelques couches de métal relativement épais (typiquement 1, 2 ou 3 feuilles de matériau de 0,8 ou 1,0 mm), d’autres utilisent un plus grand nombre de couches de matériau beaucoup plus fin (typiquement 4 ou 6 couches de matériau de 0,4 mm), ce qui produit un soufflet beaucoup plus souple.
Lors de la spécification d’un assemblage à soufflet, le concepteur doit non seulement indiquer au fabricant de soufflets les niveaux de mouvement axial et latéral prévus, mais aussi les pressions et températures de travail et d’essai, afin de pouvoir prendre en compte tous ces facteurs.
Il est préférable d’acheter un soufflet auprès d’un fournisseur extérieur avec une courte section de tuyau correspondant au tuyau de l’enveloppe soudée au soufflet pour permettre l’insertion du soufflet dans l’enveloppe à l’aide de soudures bout à bout qui peuvent être radiographiées si nécessaire.
SOUPAPES DE DÉCHARGE
S’il existe une possibilité que la pression à l’intérieur d’un système puisse atteindre un niveau supérieur à la pression de conception, un dispositif de décompression doit être installé, conformément aux règles de la directive européenne sur la pression (cf.).
Il est parfois pratique que le dispositif, qui peut être une vanne ou un disque de rupture, soit monté sur l’échangeur de chaleur ou à côté de celui-ci.
S’il existe un risque que les vannes d’isolation de l’échangeur de chaleur soient fermées sur un circuit de fluide alors que l’autre circuit circule, cela peut entraîner une surpression du circuit fermé et un dispositif de décharge de pression DOIT être installé entre les vannes d’isolation de l’échangeur de chaleur.
TLV France dispose d’une large gamme de soupapes de sûreté et il convient de s’y référer pour le dimensionnement d’une soupape appropriée.
SOUS LE CONCEPTEUR
Ce terme est utilisé lorsqu’un échangeur de chaleur n’est pas en mesure d’atteindre les performances thermiques pour lesquelles il a été conçu. Cela peut être dû à une sous-estimation des exigences de conception, à des déficiences du système entraînant des débits ou des profils de température inadéquats, ou à une surestimation des coefficients de transfert de chaleur qui seraient atteints. Dans les applications impliquant des fluides pour lesquels on ne dispose que de peu ou pas de données fiables sur le transport ou la physique, il est essentiel d’incorporer une marge de conception adéquate pour tenir compte des facteurs inconnus.
STÉRILISATION
Voir Pasteurisation
SYSTÈME DE GESTION DE LA QUALITÉ
Pour fabriquer des échangeurs de chaleur fonctionnant sous pression, le fabricant doit disposer d’un système de gestion de la qualité documenté.
La norme ISO 9001 est la norme internationale pour les systèmes de gestion de la qualité. Elle définit en termes très généraux les procédures que les fabricants doivent suivre.
Le manuel de qualité de XLG définit le système utilisé pour assurer la conformité à cette norme ainsi qu’aux exigences légales de la directive sur les équipements sous pression (cf.) et d’autres législations en vigueur.
Le manuel de qualité définit :
- Comment XLG s’assure que les exigences du client sont correctement documentées et suivies.
- Comment XLG s’assure que les processus de conception sont menés de manière contrôlée et documentée à tous les stades.
- Comment XLG s’assure que les processus de fabrication sont réalisés conformément aux exigences documentées.
- Comment XLG s’assure que l’équipement est testé correctement et que ces tests sont correctement documentés.
- Comment XLG assure une protection adéquate pour le transport et les informations pour l’installation de l’équipement.
- Comment XLG tient des registres appropriés pour permettre la fourniture d’un service après-vente adéquat.
SYSTÈMES D’ÉTANCHÉITÉ
Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes utilisent divers systèmes d’étanchéité pour assurer l’étanchéité de la pression.
Dans les unités XLG MD, triple tube et BD, une série de joints toriques doubles forme le système d’étanchéité pour maintenir la pression des circuits de produit et/ou de fluide de service.
Les applications liées à l’alimentation utilisent généralement des embouts et des colliers hygiéniques avec des joints hygiéniques.
Les applications industrielles utilisent une variété de joints toriques, de joints à section carrée ou de joints plats en fonction du type d’échangeur de chaleur utilisé et des exigences de service en matière de pression, de température et de fluides en contact.
TAILLE DES TUBES
Les dimensions des tubes varient en fonction du fabricant et de l’application. Pour déterminer la taille de tube la plus appropriée à des applications spécifiques, les facteurs à prendre en compte sont les suivants :
- Matériau à utiliser pour maximiser la résistance à la corrosion et la conductivité thermique.
- Présence de particules – le diamètre interne du tube doit être au moins 3 fois supérieur à la section maximale des particules.
- Exigences en matière de nettoyage – si un système de raclage doit être utilisé pour éliminer le produit du (des) tube(s), un diamètre intérieur minimum sera spécifié par le concepteur du système.
- Type d’échangeur de chaleur – monotube, multitude, triple tube, etc.
- Disponibilité de la taille pour le matériau choisi.
TAMPON « U »
Voir ASME VIII Division 1
TEMA
TEMA est le nom abrégé des « Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association » (normes de l’association des fabricants d’échangeurs tubulaires), dont le siège est à New York, aux États-Unis. Ces normes sont publiées sous forme de livre afin d’aider les utilisateurs, les ingénieurs et les concepteurs à spécifier et à installer les échangeurs de chaleur.
Les normes s’adressent essentiellement à l’industrie pétrochimique, à l’industrie chimique et à l’industrie générale des procédés lourds et décrivent ce qui est considéré comme les meilleures pratiques pour la fabrication d’échangeurs de chaleur sûrs et fiables.
Bien que de nombreux exemples de conception soient basés sur des unités de grand diamètre, il contient des données de référence utiles qui peuvent être appliquées à des unités plus petites (cf. Fréquence naturelle) et des recommandations qui peuvent être appliquées à de nombreuses unités différentes.
S’il se réfère à TEMA, l’utilisateur doit être conscient qu’il est entièrement basé sur des normes américaines et que les dimensions sont toutes basées sur des unités impériales.
TEMPÉRATURE DE CONCEPTION
Selon les règles de la directive sur les équipements sous pression (cf.), les échangeurs de chaleur sont définis comme des récipients sous pression et doivent donc être conçus pour résister à la température prévisible la plus élevée à laquelle l’équipement sera soumis.
C’est le concepteur du système qui doit spécifier cette température, mais on peut normalement supposer que la température maximale spécifiée pour les conditions de conception thermique correspondra aux conditions de conception maximales.
Il convient de noter que dans le cas d’unités ou de condenseurs chauffés à la vapeur, cette hypothèse n’est pas toujours sûre, car l’alimentation en vapeur des échangeurs de chaleur est souvent réduite par rapport à la pression de la chaudière au moyen d’un détendeur (cf.) et, en cas de défaillance du détendeur, la température plus élevée de la vapeur peut atteindre l’échangeur de chaleur.
C’est le concepteur de l’échangeur de chaleur qui a la responsabilité légale, en vertu de la directive européenne 97/23/CE relative aux équipements sous pression, de s’assurer que l’équipement est conçu en fonction des valeurs correctes pour la pression et la température maximales ; si ces valeurs ne sont pas clairement indiquées, vous devez toujours les demander.
TEMPÉRATURE DE LA PAROI DU TUBE
Dans un grand nombre d’applications, il est souhaitable de connaître la température du métal en contact avec les fluides pour s’assurer qu’ils ne vont pas geler ou brûler à la surface ou subir un changement d’état.
La température de la paroi du tube dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire peut être calculée comme suit.
[1] Si le fluide chaud se trouve du côté du tube :
tw = tc – [( ho / [ hi + ho ]) x [ Tc – tc ]]
Où ?
- tw = température de la paroi du tube
- tc = température du fluide froid
- ho = coefficient de transfert de chaleur partiel du côté de l’enveloppe
- hi = coefficient de transfert thermique partiel du côté du tube par rapport à la surface extérieure
- Tc = température du fluide chaud
[2] Si le fluide chaud se trouve du côté de la coque :
tw = tc + [( ho / [ hi + ho ]) x [ Tc – tc ]]
Où ?
- tw = température de la paroi du tube
- tc = température du fluide froid
- ho = coefficient de transfert de chaleur partiel du côté de l’enveloppe
- hi = coefficient de transfert thermique partiel du côté du tube par rapport à la surface extérieure
- Tc = température du fluide chaud
TEMPÉRATURE DU BULBE HUMIDE
L’air atmosphérique contient normalement une petite quantité d’humidité.
La température du bulbe humide est la température la plus basse qui peut être atteinte par la seule évaporation de l’eau. C’est la température que l’on ressent lorsque la peau est mouillée et exposée à l’air en mouvement. Contrairement à la température du bulbe sec (cf.), la température du bulbe humide est une indication de la quantité d’humidité dans l’air.
La température de bulbe humide peut avoir plusieurs significations techniques :
- Température thermodynamique au thermomètre mouillé : température qu’aurait un volume d’air s’il était refroidi adiabatiquement jusqu’à saturation à pression constante par évaporation de l’eau qu’il contient, toute la chaleur latente étant fournie par le volume d’air.
- La température lue sur un thermomètre à bulbe humide
- Température adiabatique au thermomètre mouillé : la température qu’un volume d’air aurait s’il était refroidi adiabatiquement jusqu’à saturation, puis comprimé adiabatiquement jusqu’à la pression d’origine dans un processus humide-adiabatique.
Pour le concepteur du transfert de chaleur, il est important de connaître la température du bulbe humide lorsqu’on utilise une tour de refroidissement par évaporation comme source d’eau de refroidissement, car ces tours utilisent la température du bulbe humide comme référence pour déterminer la taille de la tour nécessaire et les pertes d’évaporation d’eau prévues qui devront être remplacées.
TEMPÉRATURE DU BULBE SEC
La température sèche est la température que l’on considère généralement comme la température de l’air, et c’est la véritable température thermodynamique. Il s’agit de la température mesurée par un thermomètre ordinaire exposé au courant d’air.
Contrairement à la température humide (cf.), la température sèche n’indique pas la quantité d’humidité dans l’air.
Lors du dimensionnement des radiateurs à air pulsé, la température sèche du bulbe est normalement utilisée pour déterminer la surface nécessaire.
TEMPÉRATURE MAXIMALE ADMISSIBLE
Selon les règles de la directive européenne relative aux équipements sous pression, il s’agit de la température de conception de l’équipement et de la température la plus élevée que l’utilisateur final est autorisé à appliquer à l’équipement.
TEMPS DE MAINTIEN
Il s’agit de la durée pendant laquelle un produit doit être maintenu à la température de pasteurisation afin de tuer la quantité maximale d’agents pathogènes.
Ce temps doit être déterminé par le concepteur du processus sur la base de sa connaissance du produit et des agents pathogènes susceptibles d’être présents. Il déterminera le temps d’attente nécessaire pour réduire le nombre de pathogènes viables au nombre autorisé par la législation sur l’hygiène alimentaire pour le produit.
Les temps de maintien sont normalement spécifiés comme des temps minimums, de sorte que le concepteur de l’échangeur de chaleur, lorsqu’il incorpore des tubes de maintien (cf.) dans son système, doit toujours pécher par excès de prudence et s’assurer que le temps est légèrement dépassé au débit maximum de produit spécifié.
TEMPS DE RÉSIDENCE
C’est le terme utilisé pour désigner le temps pendant lequel le produit reste dans l’échangeur de chaleur ou les tubes de maintien (cf.) qui seront spécifiés par les technologues alimentaires pour atteindre le niveau de destruction bactériologique nécessaire pour obtenir une durée de conservation appropriée.
TENSION SUPERFICIELLE
La tension superficielle est une propriété de la surface d’un liquide qui lui permet de résister à une force extérieure. Elle se manifeste, par exemple, par la flottaison de certains objets à la surface de l’eau, alors qu’ils sont plus denses que l’eau, et par la capacité de certains insectes à courir à la surface de l’eau. Cette propriété est due à la cohésion de molécules similaires et est à l’origine de nombreux comportements des liquides.
Il est important pour le concepteur du transfert de chaleur car il s’agit d’un facteur utilisé pour calculer les coefficients d’ébullition dans les évaporateurs et les rebouilleurs.
Les données sur les valeurs de tension superficielle peuvent être obtenues à partir de la littérature standard, une source utile étant la suivante :
http://webbook.nist.gov/chemistry/
TESTS D’USINE
Les essais en usine se limitent normalement à la pressurisation des deux circuits de fluide (indépendamment) aux pressions d’essai (cf.) requises par le code de conception mécanique en utilisant de l’eau fraîche et propre du réseau, mais d’autres essais sont parfois nécessaires pour prouver la qualité des soudures ou l’étanchéité.
Le contrôle de la qualité interne des soudures en acier inoxydable est normalement effectué à l’aide de techniques à rayons X (radiographie), mais des techniques à ultrasons peuvent également être utilisées. Ces deux méthodes examinent la structure interne des soudures afin de déterminer s’il existe des défauts tels que définis par les codes de soudage (cf.). Si l’un de ces tests est effectué, les codes de conception permettent d’utiliser un niveau de contrainte plus élevé dans les formules de conception, ce qui peut entraîner la nécessité d’utiliser des sections de matériaux plus minces.
Le test minimum pour l’une ou l’autre méthode est de 10 % de la longueur totale de la soudure, mais pour les applications critiques, 100 % peuvent être exigés. Ces essais doivent être sous-traités à un organisme spécialisé, car ils requièrent une expertise éprouvée et un personnel qualifié.
Si une radiographie doit être effectuée, le travail normal dans l’usine doit être suspendu pendant les tests pour des raisons de sécurité, étant donné que des matériaux radioactifs sont utilisés.
Un test d’étanchéité est parfois effectué pour s’assurer que l’échangeur de chaleur ne fuit pas au niveau des soudures ou des joints expansés. Il s’agit de remplir le circuit de fluide avec un gaz halogène à basse pression et d’utiliser un « renifleur » électronique pour vérifier s’il y a des fuites. Les gaz halogènes sont utilisés parce qu’ils ont la capacité de fuir à travers les plus petites fissures et sont facilement détectés à l’aide de techniques électroniques. Il est préférable de sous-traiter ce test à un organisme spécialisé, car il nécessite une expertise reconnue et un personnel qualifié. Un lieu de travail bien ventilé est nécessaire pour ce test, car les renifleurs électroniques sont très sensibles et un environnement très fermé peut entraîner une accumulation de gaz halogènes et des résultats faussement positifs.
Parfois, le client peut également demander que des tests de performance thermique soient effectués, mais il s’agit généralement d’une opération très coûteuse car elle nécessite beaucoup de tuyauterie, le pompage des fluides, une source de chaleur, des sources de refroidissement, des instruments, etc.
THERMOSIPHON
Un thermosiphon est une méthode d’échange thermique passif basée sur la convection naturelle, qui fait circuler un liquide sans nécessiter de pompe mécanique. Cette circulation peut se faire en boucle ouverte, comme lorsque le liquide d’un réservoir est acheminé dans une direction par un tube de transfert chauffé monté au fond du réservoir jusqu’à un point de distribution, ou en boucle fermée verticale avec retour au récipient d’origine. L’objectif est de simplifier le pompage de liquide et/ou le transfert de chaleur en évitant le coût et la complexité d’une pompe à liquide conventionnelle.
XLG l’utilise couramment dans la conception de générateurs de vapeur où un effet de thermosiphon naturel est utilisé pour faire circuler le liquide évaporé à travers le côté tube d’un échangeur de chaleur monté verticalement.
TIRANTS
Lorsque des déflecteurs sont installés pour diriger l’écoulement du fluide du côté de la coquille ou pour soutenir les tubes, ils sont généralement reliés par un cadre fixé à une extrémité à une plaque tubulaire.
Les tirants servent d’entretoises horizontales pour les déflecteurs et peuvent être soudés à chaque déflecteur ou porter une série de tubes d’entretoise.
TOURS DE REFROIDISSEMENT PAR ÉVAPORATION
Elles sont généralement utilisées pour fournir une source d’eau de refroidissement aux échangeurs de chaleur et à d’autres équipements de traitement et fonctionnent par évaporation d’une petite quantité d’eau chaude qui est pulvérisée dans la tour au sommet. Un flux d’air de refroidissement/évaporation passe à travers la tour dans la direction opposée pour obtenir l’effet de refroidissement.
Ils utilisent l’air atmosphérique comme moyen de refroidissement et ont l’avantage d’utiliser la température du bulbe humide (cf.) pour obtenir le refroidissement et, dans certains climats, cette température peut être inférieure de plusieurs degrés à la température du bulbe sec utilisée dans les radiateurs refroidis à l’air sec.
L’utilisation des tours d’évaporation présente quelques inconvénients majeurs :
- Ils perdent une quantité importante d’eau en raison des éclaboussures et de l’évaporation, qui doit être remplacée. Dans les régions arides, cela peut être impossible et dans les régions moins arides, cela peut représenter un coût de fonctionnement important et permanent.
- Ils contaminent l’eau avec les contaminants présents dans l’atmosphère. Ainsi, s’ils se trouvent dans une zone côtière, l’eau sera contaminée par le chlorure de sodium et s’ils se trouvent dans une zone fortement industrialisée, ils absorberont les polluants atmosphériques présents, tels que les oxydes de soufre, et produiront un flux d’eau acide.
- De même, ils filtrent les particules de poussière ou d’autres substances organiques présentes dans l’atmosphère, de sorte que l’eau peut devenir très sale et que le système doit être constamment nettoyé pour éliminer le limon.
Il existe une alternative à ce système de pulvérisation ouvert qui minimise les effets décrits ci-dessus. Il s’agit de la « Tour Baltimore » qui combine les avantages d’un radiateur à circuit fermé avec un effet de refroidissement utilisant l’évaporation et la température du bulbe humide de l’air.
Pour ce faire, de l’eau est pulvérisée sur une matrice de radiateur en circuit fermé qui maintient un circuit d’eau propre à l’intérieur. L’inconvénient majeur est que les pertes d’eau sont importantes et nécessitent un remplacement constant.
TRAITEMENTS CONTRE L’ENCRASSEMENT
Diverses méthodes doivent être utilisées pour lutter contre les mécanismes d’encrassement résumés ci-dessus :
Encrassement dû aux dépôts – la filtration de l’eau chargée de limon ou son passage dans des bassins de décantation avant l’utilisation peut minimiser le niveau des dépôts. Cependant, une fois qu’ils se sont formés, des méthodes de nettoyage mécanique telles que le brossage métallique ou le jet d’eau à haute pression doivent être utilisées pour éliminer les dépôts.
Encrassement chimique – étant donné qu’il dépend entièrement du processus, il n’y a pas grand-chose à faire pour minimiser ou prévenir ce type d’encrassement. Étant donné que de nombreux facteurs différents, y compris les fluides de traitement et les matériaux de base, etc. sont impliqués, il est recommandé de demander conseil à une entreprise de nettoyage industriel spécialisée afin d’identifier le meilleur moyen d’éliminer les salissures.
Encrassement par la corrosion – il ne peut être combattu qu’en choisissant les bons matériaux en contact avec les fluides d’exploitation. Si la corrosion est importante, il y a un risque de défaillance du tube et il peut être nécessaire de remplacer complètement le tube de l’équipement concerné par un matériau plus résistant à la corrosion, si possible.
Encrassement biologique – il peut être combattu de deux manières. Le choix initial des matériaux peut inhiber l’encrassement biologique, car certains matériaux à base de cuivre sont toxiques pour divers organismes biologiques et peuvent être utilisés avec succès dans des applications où l’eau de mer est utilisée comme liquide de refroidissement. Le traitement de l’eau de refroidissement est également utile, en particulier dans les systèmes de recirculation tels que les tours de refroidissement, où le dosage de l’eau avec des agents antisalissures peut minimiser la contamination.
TROU DE TUBE RAINURES
Lorsque les tubes sont expansés dans des plaques tubulaires (pour plus de sécurité, pour les unités pharmaceutiques avec des plaques tubulaires doubles ou lorsque les matériaux du tube et de la plaque tubulaire ne peuvent pas être soudés ensemble), il est conseillé d’ancrer les tubes dans les plaques tubulaires au moyen de rainures peu profondes usinées dans la plaque tubulaire.
La section TEMA 5-7.24 donne des détails sur la rainure, mais en termes généraux, si l’épaisseur de la plaque tubulaire est de 25,4 mm ou plus, deux rainures sont nécessaires. Pour les plaques tubulaires d’une épaisseur inférieure ou égale à 25,4 mm, une seule rainure est autorisée.
Chaque rainure doit avoir une profondeur de 0,4 mm et une largeur de 3,2 mm.
Des essais ont montré qu’un joint expansé à rouleaux entre le tube et la plaque tubulaire avec des rainures nécessite une force nettement plus importante pour extraire le tube de la plaque tubulaire qu’un joint sans rainures.
TUBEPLATES
Les plaques tubulaires remplissent plusieurs fonctions différentes dans un échangeur de chaleur et les détails spécifiques de la conception de chacune d’entre elles seront déterminés par la fonction qu’elle doit remplir.
Dans les unités multitubulaires XLG de la série B, les plaques tubulaires sont prolongées pour former l’interconnexion avec la tuyauterie côté tube et, à ce titre, elles doivent non seulement être dimensionnées pour résister aux pressions de service côté tube et côté enveloppe, mais aussi être conformes à la norme de bride choisie.
Lorsque l’interconnexion côté tube n’est pas incorporée dans la plaque tubulaire, l’épaisseur sera déterminée à partir des calculs de conception mécanique en utilisant les pressions de conception côté tube et côté enveloppe et (le cas échéant) la pression supplémentaire causée par la dilatation différentielle entre les tubes et l’enveloppe.
TUBES
Il s’agit du terme général utilisé pour les tuyaux (généralement) de petit diamètre utilisés dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire. La différence essentielle entre un tuyau et un tube est que les tuyaux ont des parois plus épaisses.
Les tubes XLG sont généralement ondulés pour améliorer les capacités de transfert de chaleur des tubes et sont fournis dans une variété d’aciers inoxydables, d’alliages Duplex et de matériaux de qualité supérieure tels que le titane, l’Incoloy®, etc.
TUBES DE SOUTIEN
Dans les applications de transformation alimentaire, de nombreux produits liquides ou en purée doivent être pasteurisés pour pouvoir être stockés pendant une période acceptable après la transformation et pour des raisons d’hygiène générale.
Chaque produit étant différent, la température de pasteurisation et la durée pendant laquelle cette température doit être maintenue sont également différentes. Lorsque le concepteur de l’échangeur de chaleur dimensionne son équipement, le concepteur du processus (généralement l’utilisateur final) lui indique la durée pendant laquelle la température de pasteurisation doit être maintenue avant que le produit ne soit refroidi en vue de sa transformation ou de son conditionnement.
Le temps de maintien (cf.) est fonction du volume de produit qui s’écoule et du diamètre intérieur des tubes dans lesquels il s’écoule. Si le produit est traité dans des échangeurs de chaleur de type monotube, il est normalement pratique (à des fins de nettoyage) d’utiliser des tubes de maintien de même diamètre que ceux installés dans l’échangeur de chaleur, ce qui permettra aux opérateurs d’utiliser un système de raclage (cf.) pour la récupération et le nettoyage du produit.
VALEUR ALPHA
Il s’agit du terme couramment utilisé pour les coefficients de transfert de chaleur partiels dérivés pour le côté enveloppe et le côté tube d’un échangeur de chaleur à enveloppe et tube.
Les valeurs relatives dei eto contrôlent la température de la paroi du tube (cf.) de l’échangeur de chaleur et le concepteur peut s’en servir pour calculer les valeurs appropriées lorsqu’il y a un risque d’ébullition ou de congélation à la surface du tube.
VALEURS U
Voir les valeurs K
VAPEUR ÉCLAIR
Lorsqu’un liquide est introduit dans une cuve ou un réservoir fonctionnant à une pression dont la température de saturation est inférieure à la température réelle du liquide (par exemple de l’eau à 120°C introduite dans un réservoir à la pression atmosphérique), la vapeur instantanée est produite par l’énergie excédentaire.
Dans l’exemple ci-dessus, l’eau à 120°C [pression de saturation 1,98 Bar.Abs] a une enthalpie égale à 503,813 kJ/kg alors qu’à la pression atmosphérique et à 100°C, l’eau a une enthalpie égale à 419,098 kJ/kg.
Lorsqu’il perd de la pression, il y a donc un excès d’enthalpie égal à [503 813 – 419 098] = 84 715 kJ/kg.
La chaleur latente (cf.) de la vapeur à la pression atmosphérique est de 2256,66 kJ/kg, de sorte que l’excès d’enthalpie dans l’eau produira [84 715/2256,66] = 0 0,0375 kg de vapeur par kg de condensat lorsque la pression est réduite. Il faut garder à l’esprit qu’il s’agit de la MASSE de la vapeur et qu’en raison de sa faible densité, son volume sera de 62,8 litres par kg de condensat.
Ceci est particulièrement important lorsque du condensat sous pression à la température de saturation de la vapeur s’écoule à travers un purgeur de vapeur, car le purgeur subit une perte de pression à travers la vanne. Si cette perte de pression est importante, une quantité significative de vapeur de revaporisation sera produite.
La meilleure façon d’éviter cette vapeur instantanée est de refroidir le condensat dans l’échangeur de chaleur à une température inférieure à la température de saturation du côté basse pression de la vanne. Si cette opération est effectuée de manière contrôlée, elle augmentera également l’efficacité de l’échangeur de chaleur.
VAPEUR SURCHAUFFÉE
Lorsque l’eau bout pour produire de la vapeur, la température de la vapeur dépend de la pression, appelée « température de saturation ».
Lorsqu’il est nécessaire de transporter la vapeur dans un système, il y a inévitablement des pertes dues au rayonnement thermique et à la conduction de la chaleur vers des surfaces plus froides, et ces pertes entraînent la condensation d’une petite quantité de vapeur qui est ensuite transportée dans le système sous forme d’eau liquide. Ces pertes entraînent la condensation d’une petite quantité de vapeur qui est ensuite transportée dans le système sous forme d’eau liquide. Cela peut poser des problèmes dans les équipements des utilisateurs, y compris les échangeurs de chaleur, car le liquide peut se déplacer à grande vitesse et provoquer l’érosion des surfaces.
Une solution courante à ce problème dans les installations centrales de production de vapeur consiste à surchauffer la vapeur, c’est-à-dire à élever la température de la vapeur pour former un gaz sec, de sorte que les petites pertes de température n’entraînent pas la condensation de la vapeur dans le système de tuyauterie.
Du point de vue des concepteurs d’échangeurs de chaleur, cela présente l’avantage de réduire la probabilité que l’eau liquide cause des dommages par érosion, mais l’inconvénient que les calculs initiaux pour la vapeur doivent supposer que la vapeur surchauffée doit être refroidie sous forme de gaz avant que la condensation ne puisse commencer.
En réalité, il est possible de contourner cet inconvénient en veillant à ce que la température de la paroi du tube adjacente à l’entrée de la vapeur soit inférieure à la température de saturation de la vapeur, ce qui entraîne la condensation immédiate de la vapeur, la surchauffe étant éliminée par la couche de condensat qui se forme sur les surfaces du tube.
Les consommations de vapeur doivent cependant être calculées en utilisant d’abord la chaleur spécifique de la phase gazeuse et la chute de température pour atteindre la température de saturation, puis la chaleur latente correspondant à la pression de travail.
VIBRATION DU TUBE
Les tubes d’un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire étant traversés en permanence par des fluides, ils sont susceptibles de vibrer en raison de leur rapport longueur/diamètre élevé. Il est essentiel de vérifier les caractéristiques vibratoires des applications individuelles pour s’assurer que des supports adéquats sont fournis et que les vibrations aux fréquences naturelles des tubes sont évitées.
Le calcul de la vibration des tubes est un processus complexe, mais TEMA fournit une règle empirique pour les longueurs maximales recommandées des tubes non supportés (tableau RCB-4-52) et, dans la section 6 « Vibration induite par l’écoulement », une méthode pour effectuer une analyse de la vibration pour des unités spécifiques.
VISCOSITÉ
La viscosité décrit la résistance interne d’un fluide à l’écoulement et peut être considérée comme une mesure de la friction du fluide, qui dépend de la température.
Il est important de déterminer la viscosité d’un fluide aux températures de fonctionnement utilisées pour le transfert de chaleur, car il s’agit d’un facteur fondamental pour établir le nombre de Reynolds utilisé pour déterminer le coefficient de transfert de chaleur.
Il existe deux types distincts de mesure de la viscosité :
- Viscosité dynamique (unité Pascal-Secondes ou Poise)
- Viscosité cinématique (unité Stokes)
Une conversion utile de la viscosité cinématique en viscosité dynamique s’effectue comme suit :
Viscosité dynamique = (Viscosité cinématique / 1000) x Densité
Où ?
- Viscosité dynamique en cP (mPa.s)
- Viscosité cinématique en cSt (Stokes/100)
- La densité est exprimée en kg/m³
Dans les calculs de transfert de chaleur, il est normal d’utiliser la viscosité dynamique.
VITON®
VITON est le nom commercial (fabriqué par DuPont) d’une gamme d’élastomères très utiles, bien connus pour leur excellente résistance à la chaleur (400°F/200°C) et aux carburants et produits chimiques agressifs. VITON est enregistré au niveau mondial selon les normes ISO 9000 et ISO/TS 16949.
Les caractéristiques de performance de ce matériau, qui peut être utilisé à la fois pour les joints toriques et les joints plats, sont détaillées sur le site :
www.dupontelastomers.com/products/viton
ZINC
Dans les applications utilisant l’eau de mer comme fluide de refroidissement, il est parfois nécessaire de fournir une protection anticorrosion aux surfaces de transfert de chaleur. Lorsque le matériau du tube choisi est non ferreux (laiton ou cuivre-nickel), la protection est souvent assurée par des tampons de zinc installés dans le système de circulation de l’eau de mer, qui se corroderont de préférence pour protéger les surfaces plus nobles.
Si ce système est utilisé, il est essentiel que les tampons de zinc soient régulièrement contrôlés et remplacés si nécessaire, car une fois épuisées, les surfaces de transfert de chaleur seront vulnérables à la corrosion.