Consommation de vapeur des échangeurs de chaleur

Les différents types d’échangeurs de chaleur sont expliqués et comparés dans ce tutoriel, ainsi que les calculs de consommation de vapeur et d’autres problématiques telles que la pertinence de la charge de démarrage.

Le terme échangeur de chaleur s’applique strictement à tous les types d’équipements dans lesquels le transfert de chaleur est favorisé d’un milieu à un autre. Un radiateur domestique, où l’eau chaude cède sa chaleur à l’air ambiant, peut être décrit comme un échangeur de chaleur. De même, une chaudière à vapeur où les gaz de combustion cèdent leur chaleur à l’eau pour atteindre l’évaporation, peut être décrite comme un échangeur de chaleur à feu.

Cependant, le terme est souvent plus spécifiquement appliqué aux échangeurs de chaleur à calandre et tubes ou aux échangeurs de chaleur à plaques, où un fluide primaire comme la vapeur est utilisé pour chauffer un fluide de procédé. Un échangeur de chaleur à calandre et tubes utilisé pour chauffer de l’eau pour le chauffage des locaux (utilisant de la vapeur ou de l’eau) est souvent appelé accumulateur de chaleur sans stockage. (Un accumulateur de chaleur avec stockage, comme montré dans la figure 2.13.1, est construit différemment ; il se compose généralement d’un réservoir de stockage d’eau chaude avec un serpentin de chauffage primaire à l’intérieur).

Les fabricants fournissent souvent un thermal rating pour leurs échangeurs de chaleur en kW, et à partir de celui-ci la consommation de vapeur peut être déterminée, comme pour les batteries d’aérothermes. Cependant, les échangeurs de chaleur (en particulier à calandre et tubes) sont fréquemment trop grands pour les systèmes qu’ils sont censés desservir.

Un accumulateur de chaleur sans stockage (comme montré dans la figure 2.13.2) sera normalement sélectionné à partir d’une gamme standard de tailles, et pourra souvent avoir une capacité bien supérieure au chiffre de conception. Pour le chauffage de l’eau chaude des bâtiments, il peut également y avoir certains facteurs de sécurité inclus dans les calculs de charge thermique. Les échangeurs de chaleur à plaques peuvent également être choisis dans une gamme standard de tailles si les unités sont brasées ou soudées. Cependant, il y a plus de flexibilité dans le dimensionnement des échangeurs de chaleur à plaques avec joints, où des plaques peuvent souvent être ajoutées ou retirées pour obtenir la surface de transfert de chaleur souhaitée. Dans de nombreux cas, les échangeurs de chaleur à plaques sont surdimensionnés simplement pour réduire la chute de pression du fluide secondaire. Sur une installation existante, une indication de la charge réelle peut être obtenue si les températures de départ et de retour ainsi que le débit de pompage sont connus. Cependant, il est important de noter que le débit indiqué sur la plaque du fabricant de la pompe se rapportera probablement à une hauteur de pression, qui peut ou non être présente en pratique.

Calculs de consommation de vapeur pour les échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes et les échangeurs de chaleur à plaques sont des exemples typiques d’applications de type écoulement. Par conséquent, lors de la détermination de la consommation de vapeur pour ces applications, l’équation 2.6.5 doit être utilisée.

La charge de démarrage peut être ignorée si elle se produit rarement, ou si le temps nécessaire pour atteindre la pleine charge de sortie n’est pas trop important. Les échangeurs de chaleur sont plus souvent dimensionnés sur la pleine charge de fonctionnement, avec l’ajout possible de facteurs de sécurité.

Les pertes thermiques sont rarement prises en compte avec ces applications de type écoulement, car elles sont significativement inférieures à la pleine charge de fonctionnement. Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes sont généralement calorifugés pour prévenir les pertes thermiques et pour éviter les blessures possibles au personnel. Les échangeurs de chaleur à plaques tendent à être plus compacts et ont une surface exposée à l’air ambiant beaucoup plus petite par rapport à la taille de l’unité.

Exemple 2.13.1

Déterminer la charge thermique et la charge de vapeur de l’accumulateur de chauffage sans stockage suivant Un accumulateur de chauffage est conçu pour fonctionner en pleine charge avec de la vapeur à 2,8 bar g dans l’espace vapeur primaire. Les températures de départ et de retour de l’eau secondaire sont respectivement de 82 °C et 71 °C, à un débit d’eau pompée de 7,2 kg/s. cp pour l’eau = 4,19 kJ/kg °C

Tableau 2.13.1 Extrait des tables de vapeur

Partie 1 Déterminer la charge thermique La pleine charge peut être calculée à l’aide de l’équation 2.6.5 :

Partie 2 Déterminer la charge de vapeur Le taux de condensation en pleine charge peut être déterminé à l’aide du côté gauche de l’équation de bilan thermique 2.6.6 :

Échangeurs de chaleur à plaques

Un échangeur de chaleur à plaques se compose d’une série de plaques métalliques ondulées fines entre lesquelles un certain nombre de canaux sont formés, les fluides primaire et secondaire circulant dans des canaux alternés. Le transfert de chaleur s’effectue du fluide primaire vapeur vers le fluide de procédé secondaire dans les canaux adjacents à travers la plaque. La figure 2.13.3 montre une représentation schématique d’un échangeur de chaleur à plaques.

Un motif ondulé de nervures augmente la rigidité des plaques et offre un meilleur soutien contre les différences de pression. Ce motif crée également un écoulement turbulent dans les canaux, améliorant l’efficacité du transfert de chaleur, ce qui tend à rendre l’échangeur de chaleur à plaques plus compact qu’un échangeur de chaleur à calandre et tubes traditionnel. La promotion de l’écoulement turbulent élimine également la présence de zones stagnantes et réduit ainsi l’encrassement. Les plaques seront généralement revêtues du côté primaire, afin de favoriser la condensation en gouttelettes de la vapeur.

Le marché des échangeurs de chaleur à vapeur était dominé dans le passé par l’échangeur de chaleur à calandre et tubes, tandis que les échangeurs de chaleur à plaques ont souvent été privilégiés dans l’industrie alimentaire et le chauffage de l’eau de rejet. Cependant, les récents progrès en conception signifient que les échangeurs de chaleur à plaques sont désormais également adaptés aux applications de chauffage à vapeur. Un échangeur de chaleur à plaques peut permettre à la fois la condensation et le sous-refroidissement du condensat au sein d’une seule unité. Si le condensat est évacué vers un réservoir atmosphérique, en réduisant la température du condensat, la quantité de flash steam perdue dans l’atmosphère par l’évent du réservoir est également réduite. Cela peut éliminer le besoin d’un sous-refroidisseur séparé ou d’un système de récupération de flash steam. Bien qu’une surface de transfert de chaleur nominale puisse théoriquement être calculée à l’aide de l’équation 2.5.3, les échangeurs de chaleur à plaques sont des conceptions propriétaires et seront normalement spécifiés en consultation avec les fabricants. Échangeurs de chaleur à plaques avec joints (échangeurs de chaleur à plaques et cadre) Dans un échangeur de chaleur à plaques avec joints, les plaques sont serrées ensemble dans un cadre, et un joint mince (généralement un polymère synthétique) scelle chaque plaque sur le pourtour. Des boulons de serrage placés entre les plaques sont utilisés pour comprimer le pack de plaques entre la plaque de cadre et la plaque de pression. Cette conception permet un démontage facile de l’unité pour le nettoyage, et permet de modifier la capacité de l’unité par un simple ajout ou retrait de plaques. L’utilisation de joints confère un certain degré de flexibilité au pack de plaques, offrant une certaine résistance à la fatigue thermique et aux variations brusques de pression. Cela fait de certains types d’échangeurs de chaleur à plaques avec joints un choix idéal comme chauffe-eau à vapeur pour l’alimentation instantanée en eau chaude, où les plaques seront exposées à un certain nombre de cycles thermiques. La limitation dans l’utilisation de l’échangeur de chaleur à plaques avec joints réside dans la plage de température de fonctionnement des joints, ce qui impose une restriction sur la pression de vapeur pouvant être utilisée sur ces unités. Échangeurs de chaleur à plaques brasées Dans un échangeur de chaleur à plaques brasées, toutes les plaques sont brasées ensemble (normalement avec du cuivre ou du nickel) dans un four sous vide. C’est une évolution de l’échangeur de chaleur à plaques avec joints, et a été développé pour offrir plus de résistance aux pressions et températures plus élevées à un coût relativement faible. Cependant, contrairement à l’unité avec joints, l’échangeur de chaleur à plaques brasées ne peut pas être démonté. Si un nettoyage est nécessaire, il doit être soit rétrolavé, soit nettoyé chimiquement. Cela signifie également que ces unités sont proposées dans une gamme standard de tailles, par conséquent le surdimensionnement est courant. Bien que l’échangeur de chaleur brasé ait une conception plus robuste que le type avec joints, il est également plus sujet à la fatigue thermique en raison de sa construction plus rigide. Toute variation soudaine ou fréquente de température et de charge doit donc être évitée, et une attention particulière doit être portée au contrôle côté vapeur pour éviter les contraintes thermiques. Les échangeurs de chaleur brasés sont plus adaptés (et principalement utilisés) pour les applications où les variations de température sont lentes, comme le chauffage des locaux. Ils peuvent également être utilisés avec succès avec des fluides secondaires qui se dilatent progressivement, comme l’huile thermique. Échangeurs de chaleur à plaques soudées Dans un échangeur de chaleur à plaques soudées, le pack de plaques est maintenu ensemble par des soudures entre les plaques. L’utilisation de techniques de soudage laser permet au pack de plaques d’être plus flexible qu’un pack de plaques brasé, permettant à l’unité soudée d’être plus résistante aux pulsations de pression et aux cycles thermiques. Les limites de fonctionnement en température et pression de l’unité soudée signifient que ces échangeurs de chaleur ont normalement une spécification plus élevée et sont plus adaptés aux applications industrielles lourdes. Ils sont souvent utilisés lorsqu’une performance en haute pression ou température est requise, ou lorsque des milieux visqueux comme l’huile et d’autres hydrocarbures doivent être chauffés. Échangeurs de chaleur à calandre et tubes L’échangeur de chaleur à calandre et tubes est probablement la méthode la plus courante pour fournir un échange de chaleur indirect dans les applications de processus industriels. Un échangeur de chaleur à calandre et tubes se compose d’un faisceau de tubes enfermés dans une calandre cylindrique. Les extrémités des tubes sont fixées dans des plaques tubulaires, qui séparent les fluides primaire et secondaire. Lorsque la vapeur condensante est utilisée comme milieu de chauffage, l’échangeur de chaleur est généralement horizontal avec la condensation se produisant à l’intérieur des tubes. Le sous-refroidissement peut également être utilisé comme moyen de récupérer un peu de chaleur supplémentaire du condensat dans l’échangeur de chaleur. Cependant, si le degré de sous-refroidissement requis est relativement important, il est souvent plus pratique d’utiliser un refroidisseur de condensat séparé.

Accumulateurs de chaleur sans stockage chauffés à la vapeur

Une conception courante d’un accumulateur vapeur-eau sans stockage est montrée dans la figure 2.13.4. Il s’agit d’un échangeur de chaleur à calandre et tubes de type « une passe calandre deux passes tubes » et se compose d’un faisceau de tubes en U fixé dans une plaque tubulaire fixe.

On dit qu’il a « une passe calandre » car les raccordements d’entrée et de sortie du fluide secondaire se trouvent à des extrémités différentes de l’échangeur de chaleur, par conséquent le fluide côté calandre ne passe qu’une seule fois sur la longueur de l’unité. On dit qu’il a deux passes tubes car les raccordements d’entrée et de sortie de vapeur se trouvent à la même extrémité de l’échangeur, de sorte que le fluide côté tube passe deux fois sur la longueur de l’unité.

Une cloison de séparation (également appelée plaque de séparation ou plaque plume) divise le collecteur de l’échangeur, de sorte que le fluide côté tube est dévié vers le bas du faisceau de tubes en U plutôt que directement à travers le collecteur. C’est une conception relativement simple et peu coûteuse car une seule plaque tubulaire est requise, mais son utilisation est limitée à des fluides relativement propres car les tubes sont plus difficiles à nettoyer. Note : il est plus difficile de remplacer un tube avec ces types d’échangeurs de chaleur. Des chicanes sont généralement fournies dans la calandre, pour diriger le flux côté calandre à travers les tubes, améliorant le taux de transfert de chaleur, et pour soutenir les tubes. Démarrage à froid Comme mentionné dans le Module 2.7, la charge de démarrage peut souvent être ignorée si elle se produit rarement ou si le temps nécessaire pour atteindre la pleine charge de sortie n’est pas critique. Pour cette raison, les clapets de régulation et les échangeurs de chaleur seront souvent dimensionnés sur la pleine charge plus les facteurs de sécurité habituels. Avec les systèmes qui s’arrêtent la nuit et le week-end, la température de l’eau secondaire peut être basse au démarrage un matin d’hiver froid, et les taux de condensation dans les accumulateurs de chauffage seront supérieurs à la condition de pleine charge. Par conséquent, la pression dans l’espace vapeur peut être considérablement inférieure à la pression à laquelle l’échangeur de chaleur fonctionne normalement, jusqu’à ce que la température d’entrée secondaire atteigne sa valeur de conception. D’un point de vue thermique, cela peut ne pas poser de problème - le système met simplement plus de temps à chauffer. Cependant, si le concepteur n’a pas pris cette situation en considération, un système de purge et d’élimination du condensat inadéquat peut entraîner l’accumulation de condensat dans l’espace vapeur. Cela peut causer :

• De la corrosion interne.
• Des contraintes mécaniques dues à la déformation.
• Du bruit, dû aux coups de bélier hydraulique. Cela causera des problèmes aux échangeurs de chaleur non conçus pour résister à de telles conditions. Estimation des charges de chauffage Bâtiments - Une méthode pratique et subjective pour estimer une charge de chauffage est d’examiner le bâtiment lui-même. Les calculs peuvent être compliqués, impliquant des facteurs tels que le nombre de renouvellements d’air et les taux de transfert de chaleur à travers les murs creux, les fenêtres et les toits. Cependant, une estimation raisonnable peut généralement être obtenue en prenant le volume total du bâtiment et en allouant simplement 30 - 40 W/m³ d’espace jusqu’à 3 000 m³, et 15 - 30 W/m³ si supérieur à 3 000 m³. Cela donnera une estimation raisonnable de la charge de chauffage lorsque la température extérieure est autour d’une condition de conception de -1°C. Un moyen pratique d’établir la consommation de vapeur pour une installation existante est d’utiliser un débitmètre de vapeur précis et fiable.

Exemple 2.13.2

Déterminer le rating de conception d’un accumulateur de chauffage à partir de conditions réelles mesurées Le rating de conception d’un accumulateur de chauffage est inconnu, mais la charge de vapeur est mesurée à 227 kg/h lorsque la température extérieure est de 7 °C et la température intérieure de 19 °C, une différence de 12 °C. L’accumulateur est également conçu pour fournir 19 °C à l’intérieur lorsque la température extérieure est de -1 °C, une différence de 20 °C. La charge de vapeur en condition de conception peut être estimée simplement par le rapport des différences de température :

Accumulateurs de chaleur à eau chaude avec stockage

Les accumulateurs de chaleur à eau chaude avec stockage sont conçus pour élever la température de l’ensemble de leur contenu du froid à la température de stockage dans un délai spécifié. Le taux moyen auquel la vapeur se condense pendant la phase de chauffage ou de récupération peut être calculé à l’aide de l’équation 2.13.1

Exemple 2.13.2 Calculer la charge moyenne de vapeur d’un accumulateur avec stockage Un accumulateur avec stockage a une capacité de 2 272 litres (2 272 kg), et est conçu pour élever la température de cette eau de 10°C à 60°C en ½ heure avec de la vapeur à 2 bar g. cp pour l’eau = 4,19 kJ/kg °C

Cette valeur moyenne peut être utilisée pour dimensionner le clapet de régulation. Cependant, lorsque la température de l’eau peut être à sa valeur la plus basse, par exemple 10 °C, le taux de condensation élevé de la vapeur peut dépasser la capacité du clapet de régulation entièrement ouvert, et le serpentin sera privé de vapeur. La pression dans le serpentin chutera de manière significative, avec pour effet net de réduire la capacité du dispositif de purge. Si le dispositif de purge est mal dimensionné ou sélectionné, le condensat peut refluer dans le serpentin, réduisant sa capacité à transférer la chaleur et à atteindre le temps de chauffage requis. Des coups de bélier hydraulique peuvent en résulter, provoquant un bruit sévère et des contraintes mécaniques sur le serpentin. Cependant, si le condensat n’est pas autorisé à refluer dans le serpentin, le système devrait quand même maintenir le temps de chauffage correct.

La solution est d’assurer un drainage correct du condensat. Cela pourrait être réalisé soit par un steam trap soit par une pompe-trap automatique selon les besoins du système. (Se référer au Module 13.1 - Échangeurs de chaleur et Stall).

Autres chauffe-eau à calandre et tubes

Dans d’autres échangeurs de chaleur utilisant la vapeur, une tête flottante interne peut être utilisée, qui est généralement plus polyvalente que la tête fixe des échangeurs à tubes en U. Ils sont plus adaptés aux applications avec des différences de température plus élevées entre la vapeur et le fluide secondaire. Comme le faisceau de tubes peut être retiré, ils peuvent être nettoyés plus facilement. Le fluide côté tube est souvent dirigé à travers un certain nombre de passes pour augmenter la longueur du parcours d’écoulement. Les échangeurs sont normalement construits avec entre une et seize passes tubes, et le nombre de passes est sélectionné pour atteindre la vitesse côté tube conçue. Les tubes sont disposés dans le nombre de passes requis en divisant le collecteur à l’aide d’un certain nombre de plaques de séparation. Deux passes calandre sont occasionnellement créées en installant une chicane longitudinale côté calandre au centre de l’échangeur, lorsque la différence de température serait inadaptée à une seule passe. Des agencements à écoulement divisé et à écoulement fractionné sont également utilisés lorsque la chute de pression plutôt que le taux de transfert de chaleur est le facteur déterminant dans la conception, pour réduire la chute de pression côté calandre. La vapeur peut également être utilisée pour évaporer (ou vaporiser) un liquide, dans un type d’échangeur de chaleur à calandre et tubes connu sous le nom de reboiler. Ceux-ci sont utilisés dans l’industrie pétrolière pour vaporiser une fraction du produit de fond d’une colonne de distillation. Ceux-ci tendent à être horizontaux, avec la vaporisation dans la calandre et la condensation dans les tubes (voir figure 2.13.5).

Dans les reboilers à circulation forcée, le fluide secondaire est pompé à travers l’échangeur, tandis que dans les reboilers thermosiphon, la circulation naturelle est maintenue par des différences de densité. Dans les reboilers à type chaudière, il n’y a pas de circulation du fluide secondaire, et les tubes sont immergés dans un bain de liquide.

Tableau 2.13.3 Coefficients de transfert de chaleur typiques pour certains échangeurs de chaleur à calandre et tubes

Bien qu’il soit souhaitable d’atteindre une condensation en gouttelettes dans toutes ces applications, il est souvent difficile de la maintenir et elle est imprévisible. Pour rester pratique, les calculs de conception sont généralement basés sur l’hypothèse d’une condensation en film.

La surface de transfert de chaleur pour un échangeur de chaleur à calandre et tubes peut être estimée à l’aide de l’équation 2.5.3. Bien que ces unités soient également normalement spécifiées en consultation avec les fabricants, certains coefficients de transfert de chaleur globaux typiques lorsque la vapeur est utilisée comme milieu de chauffage (et qui incluent une marge pour l’encrassement) sont fournis dans le tableau 2.13.3, comme guide.

Échangeurs de chaleur à tubes ondulés

Une évolution dans la conception de l’échangeur de chaleur à calandre et tubes traditionnel, est le développement récent de l’échangeur de chaleur à tubes ondulés. Il s’agit d’un échangeur de chaleur à plaque fixe à passage unique avec une calandre soudée, et des tubes ondulés rectilignes adaptés aux fluides de faible viscosité. D’une manière similaire aux échangeurs de chaleur à plaques, les tubes ondulés favorisent des conditions de fonctionnement turbulentes qui maximisent le transfert de chaleur et réduisent l’encrassement. Comme les échangeurs de chaleur à calandre et tubes traditionnels, ces unités sont couramment installées horizontalement. Cependant, dans l’échangeur de chaleur à tubes ondulés, la vapeur doit toujours être côté calandre.

Échangeurs de chaleur spirales

Les échangeurs de chaleur spirales partagent de nombreuses caractéristiques similaires avec les échangeurs de chaleur à calandre et tubes et les échangeurs de chaleur à plaques et sont utilisés dans de nombreuses applications similaires. Ils se composent de feuilles métalliques fabriquées qui sont déformées à froid et soudées pour former une paire de canaux spiraux concentriques, qui sont fermés par des plaques d’extrémité avec joints boulonnées sur un boîtier extérieur. La turbulence dans les canaux est généralement élevée, avec des caractéristiques d’écoulement identiques obtenues pour les deux fluides. Ils sont également relativement faciles à nettoyer et peuvent être utilisés pour des fluides et des boues très encrassants. L’utilisation d’une seule passe pour les deux fluides, combinée à la compacité de l’unité, signifie que les chutes de pression à travers les raccordements sont généralement assez faibles.