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Principes généraux de l'échangeur

Un échangeur, de quelque nature qu'il soit, sert à effectuer un transfert d'énergie. Tout en assurant ce transfert, il peut avoir différentes fonctions de séparation :
- entre deux fluides aux caractéristiques différentes.
- entre deux températures plus ou moins différentes.
- entre deux pressions plus ou moins différentes.
Les échangeurs à plaques sont une alternative aux échangeurs tubulaires et sont construits à partir
d'inox 304, 316 Ti, mais aussi de matériaux plus résistants à la corrosion : UB6, titane, hastalloy ou tantale.

Applications en aquaculture

Réchauffage ou refroidissement d'eau douce ou d'eau de mer par l'intermédiaire de sources chaudes ou froides diverses.
* Sources chaudes : chaudières charbon, gaz, fioul,
condenseurs de pompes à
chaleur, eau de rejet de
centrales.
* Sources froides : eau de forage, eau de mer, évaporateurs de groupes frigorifiques.

Description des échangeurs à plaques


Les échangeurs à plaques et joints sont composés les uns comme les autres de plaques ondulées, avec, pour la plupart, un dessin représentant des chevrons qui sont inversés d'une plaque à l'autre, et pouvant avoir un angle différent : plaque dure - angle 120°, plaque douce - angle 60°.
Chaque fluide circule respectivement de deux plaques en deux plaques, à contre courant, pour augmenter l'efficacité de l'échange. L'étanchéité entre plaques est assurée par un joint en élastomère adapté à la nature et à la température du fluide utilisé.
L'espace entre chaque plaque est déterminé par la profondeur des chevrons et varie suivant la dimension de l' échangeur. La tenue à la pression est assurée par les points de contact entre chevrons.
La fabrication de ces plaques se fait à partir de tôles sur des presses dont la puissance varie de 3500 tonnes à 20 000 tonnes suivant les dimensions des plaques. La précision du dessin est de l'ordre du 10ème de millimètre. L'ensemble des plaques servant à l'échangeur est serré entre deux bâtis en acier par l'intermédiaire de tiges filetées ou tirants.
Une particularité des échangeurs à plaques est de pouvoir réunir sous le même bâti plusieurs échangeurs en série, et le nombre d' échangeurs en série est caractérisé par le nombre de passes. Ces échangeurs peuvent donc avoir une efficacité maximum sous un volume très réduit.
Une autre particularité des échangeurs à plaques est caractérisée par le fait qu'il est possible de leur rajouter éventuellement des plaques et de les démonter pour les nettoyer une par une.
Ils permettent d'avoir des approches de températures très faibles : de 1 à 2°C.
Les volumes des circuits étant faibles, ces échangeurs ont peu d'inertie.

Fiche d’analyse des besoins

    * DIMENSIONNEMENT ET CHOIX DU MATÉRIEL

Généralités :
Si une chaudière ou une machine frigorifique ont des conditions de fonctionnement très définies, l'échangeur lui, est un élément inerte tributaire de son environnement.
En effet, en introduisant pour le calcul d'un échangeur les températures d'entrée et les débits des circuits, il en résulte des températures de sortie et des pertes de charge.
Il est donc nécessaire d'avoir plus qu'un bilan thermique et des températures pour définir réellement un échangeur. Il est absolument indispensable de connaître les contraintes hydrauliques. En effet, si dès le départ les limites de pertes de charge, les pressions et les valeurs d'encrassement ne sont pas données, il est possible de déterminer pour le même bilan thermique une multitude d'échangeurs ayant des surfaces pouvant varier du simple au double.
Le choix d'un échangeur doit donc être vu avant tout sur le plan technique, et certains artifices commerciaux comme l'intégration de facteur F dans le coefficient K, la diminution de l'espace entre plaques augmentant la vitesse dans l'échangeur (donc les performances), les joints non collés facilitant la maintenance, etc, doivent être pris en considération avec beaucoup de précautions.
Ces quelques éléments ainsi que certains autres, peuvent amener à faire des sélections très avantageuses au premier abord. Pour que les utilisateurs puissent comparer des éléments techniques comparables, et non de purs arguments commerciaux. Nous avons établi une fiche de renseignements sur les paramètres indispensables entrant dans la sélection d'un échangeur.

Analyse de quelques paramètres

    * Facteur F :

ll s'agit d'un correctif de la température logarithmique moyenne tenant compte du fait qu'un échangeur à plaques n'est jamais à contre courant surtout s'il est multiphases. Ce facteur ne peut donc être intégré au coefficient K qui, lui, dépend des vitesses, de la géométrie des plaques et des caractéristiques physiques.

    * L'espace entre plaques :

La diminution de l'espace entre plaques entraîne des vitesses entre plaques plus élevées, ce qui améliore le coefficient K en permettant de diminuer les surfaces; cela est vrai, mais seulement entre deux plaques dont le profil est rigoureusement homothétique et la géométrie extérieure inchangée. N' oublions tout de même pas que, pour un même débit demandé, si la vitesse est multipliée par deux, la perte de charge est multipliée par quatre ; la perte de charge a, en général, une valeur maximum demandée. Donc pour un même débit et une perte de charge identique demandée, il est possible d'admettre une différence de surface de plus ou moins 5% avec le même résultat, tant que les plaques sont propres. L'espace entre plaques est aussi indispensable à connaître pour deux autres raisons :
- A quel niveau de filtration faut-il arriver ? Les mailles du filtre doivent avoir environ 2 mm de moins que l'espace entre plaques car toutes les particules solides d'un diamètre inférieur sont susceptibles de traverser l'échangeur.
- L'encrassement sera plus rapide avec un faible espace entre plaques.

    * Vitesse de circulation entre plaques :

Ce paramètre est très important avec certains liquides encrassants. Peu de constructeurs d'échangeurs l'indiquent dans leurs fiches techniques. Cependant, avec ces liquides il est intéressant d'avoir une vitesse la plus élevée possible compatible avec la limite de perte de charge.

    * Perte de charge :

Dans le cadre d'économie d'énergie, cette notion est particulièrement importante, car à forte perte de charge, la puissance en kW de la pompe peut être élevée et l'exploitation à long terme très coûteuse ; par contre à faible perte de charge, la puissance en kW sera plus faible, engendrant un échangeur plus grand en surface, donc plus cher en investissement, mais beaucoup moins cher en exploitation.
Il faut insister sur le fait que la perte de charge varie au carré par rapport au débit ; si elle n'est pas imposée, la différence de surface de deux échangeurs calculés pour le même bilan thermique peut varier dans des proportions importantes (20 à 50%).
* Encrassement : La valeur d'encrassement est exprimée soit en résistance, soit en coefficient (l'un étant l'inverse de l'autre), soit encore en réserve de surface. La plupart du temps, cette caractéristique n'est pas précisée dans la demande, ou alors elle est floue et peut permettre différentes appréciations.
En effet, supposons que la demande soit de :
* Résistance d'encrassement = 0,00002kCal/m2/°C
Comment cette valeur doit-elle être comprise ? par circuit ou globale ?
L'écart de surface peut varier de 10 à 20%.
* Pression : Les pressions de services et d'épreuve sont indispensables pour déterminer l'épaisseur des plaques et du bâti avec ses tirants. Certains prennent en pression d' épreuve 1,3 fois la pression de service, d'autres : 1,5. Les poids des appareils comparés ne seront pas les mêmes. Les épaisseurs des plaques et des bâtis seront aussi différentes.
Généralement on prend 1,5 fois la pression de service pour l'épreuve.

    * entretien

Pour conserver leur performance, les échangeurs, de quelque nature qu'ils soient, doivent être maintenus propres ; à ce titre, il est conseillé de surveiller leur encrassement par la mise en place d'un manomètre monté en différentiel, afin de vérifier l'évolution de la perte de charge.
Le nettoyage d'un échangeur peut être fait manuellement après démontage des plaques en utilisant une lance à haute pression et éventuellement une brosse Nylon, mais jamais d'outils métalliques.
ATTENTlON, avant démontage vérifier la côte de serrage des plaques pour resserrer l' échangeur avec cette même côte.
Ils peuvent aussi être nettoyés chimiquement sans démontage des plaques. Suivant la nature de l'encrassement, il faut utiliser un liquide de nettoyage approprié en s' assurant de la bonne tenue des matériaux (plaques et joints).
Ne JAMAIS utiliser d'acide chlorhydrique ou de produits à base d' acide chlorhydrique.
Avant d'acheter un échangeur, il est souvent bon de s'informer sur la fréquence de remplacement et le coût des pièces de rechange, comme par exemple les joints.
Lors de la remise en état d'un échangeur, il peut être intéressant de consulter pour le remplacement de cet échangeur par un autre mieux adapté aux besoins, d'autant plus que les techniques évoluent : angles de chevrons nouveaux, plaques, etc.

    * Avantages

* Excellents coefficients de transfert de chaleur situés entre 1500 et 6000 Kcal/h/m2/°C, grâce à :
- section hydraulique très faible, 4 à 10 mm2
(20 à 25 mm2 pour les multitubulaires).
- parois très minces : 0,6 à 1 mm
(1,2 à 4 mm, pour les multitubulaires).
- Les ondulations sont sources de turbulences, améliorant le coefficient de film.
- métal bon conducteur : inox...titane. etc.
* Matériel très compact pour surface d' échange élevée : 3 fois moins encombrant que les multitubulaires.
* Accès facile et rapide des deux circuits pour réparation, nettoyage, et modification de la surface avec possibilité de rajouter ou enlever des plaques.
* Grande souplesse de fonctionnement et utilisation de produits corrosifs divers.
* Peuvent être nettoyés sans démontage (absence de zones mortes).
* Temps de séjour du fluide très court, faible dispersion. Les produits thermosensibles subissent un traitement homogène et adapté.
* Sur le plan énergétique : récupération importante (jusqu'à 95%).
* Déperditions faibles.
* Coût souvent moins élevé.
* Ecart moyen logarithmique faible tm. = 2.


 


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