Échangeur thermique à plaque DGXT
Les échangeurs thermiques à plaques sont l'un des types d' échangeurs thermiques les plus courants utilisés aujourd'hui ; l'autre type d' échangeur thermique commun est l' échangeur thermique à boîtier et à tube. L' échangeur de chaleur en spirale est également utilisé pour les applications industrielles, mais son utilisation est mineure par rapport aux deux autres types d' échangeur de chaleur.
Les échangeurs thermiques à plaques ont gagné en application dans le monde de l'ingénierie parce qu'ils sont efficaces, robustes et relativement faciles à entretenir
Composants de l'échangeur de chaleur de plaque (PHE)
Les échangeurs thermiques à plaques sont composés de relativement peu de pièces. Comme les échangeurs thermiques à plaques sont utilisés pour transférer la chaleur, ils nécessitent des entrées et des sorties où les milieux d'écoulement - ou les fluides - peuvent entrer et sortir de l'échangeur thermique. Un liquide peut être un liquide ou un gaz. Comme on suppose souvent que les liquides sont uniquement liquides, nous utiliserons le terme fluide pour éviter toute confusion.
Les joints et les plaques sont utilisés pour séparer les milieux de circulation et les empêcher de se mélanger ; les joints sont collés sur un seul côté de chaque plaque. Les plaques sont suspendues à une barre de transport et sont comprimées ensemble à l'aide de boulons de serrage. Lorsque les plaques sont comprimées ensemble, elles sont appelées « pile de plaques ». Une barre de guidage garantit que les plaques sont correctement alignées lorsque la pile de plaques est ouverte et fermée.
Les derniers composants qui vous intéressent sont les deux couvercles aux extrémités opposées de la pile de plaques. L'un des couvercles est mobile tandis que l'autre est fixe. Le couvercle mobile et le couvercle fixe sont également parfois appelés plaque de châssis et plaque de pression. Notez que les entrées et sorties sont montées sur le couvercle fixe uniquement.
Les échangeurs de chaleur à plaques fonctionnent
Le milieu chaud entre dans l'échangeur de chaleur par l'entrée du milieu chaud. Les joints dirigent le milieu chaud lorsqu'il traverse l'échangeur thermique. Chaque plaque présente un modèle de joint alternatif. Le milieu chaud s'écoule dans l'espace entre une paire de plaques, mais ne s'écoule pas dans l'espace entre la paire de plaques suivante car les joints empêchent cela. Le processus se poursuit de sorte que chaque deuxième jeu de plaques soit rempli avec le fluide chaud.
En même temps, le fluide froid entre dans l'échangeur thermique par l'entrée du fluide froid, mais cette fois, les joints sont positionnés pour permettre au fluide froid de s'écouler dans l'espace où aucun fluide chaud n'est présent. L'échangeur thermique est maintenant rempli de milieux chauds et froids. Chaque fluide sort de la sortie associée et le processus est continu.
En raison de la proximité des milieux d'écoulement, la chaleur est échangée entre eux. Le milieu chaud chauffe la plaque et la plaque transmet une partie de cette chaleur au milieu froid. Ainsi, la température du milieu chaud diminue tandis que la température du milieu froid augmente.
Les plaques d'un échangeur thermique de plaques peuvent sembler avoir une conception simple, mais chaque plaque est remplie de caractéristiques techniques intéressantes. Par exemple :
- Lorsque les plaques sont comprimées ensemble pour former une pile de plaques, l'espace entre chacune des plaques est très petit, ce qui garantit un bon contact thermique entre les deux milieux de circulation. L'écartement entre les plaques est également appelé « jeu ».
- Les plaques sont minces et ont une grande surface de contact, ce qui donne à chaque plaque un taux de transfert de chaleur élevé.
- Les plaques sont fabriquées à partir d'un matériau à conductivité thermique élevée, ce qui augmente encore le taux de transfert de chaleur.
- Les ondulations sur les surfaces de la plaque empêchent l'écoulement laminaire et favorisent l'écoulement turbulent, ce qui augmente le taux de transfert de chaleur tout en réduisant la probabilité d'accumulation de dépôts sur les surfaces de la plaque.
- Les ondulations servent également à renforcer la structure de la plaque, ce qui permet d'utiliser une plaque plus fine par rapport à une plaque sans ondulation. Notez que les ondulations de plaque sont parfois appelées « chevrons ».
Les plaques ne sont pas la seule partie d'un échangeur thermique à plaque avec des caractéristiques de conception étendues, les joints ont également des caractéristiques de conception intéressantes :
- Les joints peuvent maintenir une étanchéité entre les plaques même lorsque la pression et la température du système varient.
- Les trous dans chaque joint, appelés témoins, sont utilisés pour identifier les fuites de joint. Cette fonction permet aux opérateurs de changer la plaque concernée avant que le fluide qui fuit ne s'écoule par le joint suivant et contamine l'autre fluide circulant.
- Les joints d'étanchéité guidant le flux dans l'échangeur thermique, il est essentiel qu'ils soient installés dans le bon ordre. C'est pourquoi les joints sont souvent munis de marquages permettant aux opérateurs de vérifier que chaque plaque est installée dans le bon ordre sur l'ensemble de la pile de plaques. Une autre façon de s'assurer que l'ordre de la pile de plaques est correct est de vaporiser une ligne diagonale sur toute la pile de plaques lors de son assemblage.
- Bien que nous n'ayons montré que deux conceptions de joint jusqu'à présent dans cet article, il y en a trois ! Les joints alternent dans l'échangeur thermique , sauf pour la première et la dernière plaque de la pile de plaques, qui appuient contre les couvercles fixes et mobiles. Les plaques qui appuient contre les couvercles fixes et mobiles sont appelées plaques de début et de fin, en raison de leur position dans la pile de plaques. Les plaques de début et de fin ont pour but d'empêcher tout écoulement dans l'espace entre le couvercle fixe et la plaque de début et d'empêcher tout écoulement dans l'espace entre le couvercle mobile et la plaque d'extrémité. De cette façon, les couvercles ne sont pas utilisés activement pour échanger de la chaleur; cela est logique car les couvercles sont assez épais, ne présentent pas d'ondulations et sont mal adaptés pour échanger de la chaleur.
Variation de la capacité de refroidissement
Il existe plusieurs façons de faire varier la capacité de refroidissement d'un échangeur thermique à plaques :
- Régler les vannes de sortie de manière à augmenter ou diminuer le débit ; cette méthode est utile car aucun démontage de l'échangeur thermique n'a lieu. Ne pas étrangler/réguler les soupapes d'admission car cela pourrait endommager l'échangeur thermique et provoquer une surchauffe localisée.
- Augmenter ou diminuer le nombre de plaques dans la pile de plaques. L'augmentation du nombre de plaques dans la pile de plaques entraîne une augmentation correspondante de la capacité de refroidissement. La diminution du nombre de plaques dans la pile de plaques entraîne une diminution correspondante de la capacité de refroidissement. En bref, plus de plaques est important, plus la capacité de refroidissement est importante et moins de plaques est faible.
- Utilisez une conception à une ou plusieurs passes. Les échangeurs thermiques à passage unique permettent aux deux médiums de circuler l'un au-delà de l'autre une seule fois. Les échangeurs thermiques multi-passes permettent aux médiums qui circulent de s'écouler plusieurs fois. La plupart des échangeurs thermiques à plaques utilisent la conception à passage unique.
Types de flux
Le débit à travers un échangeur thermique à plaques peut être parallèle, transversal ou compteur. Les échangeurs thermiques à plaques utilisent généralement un débit intermédiaire, car il s'agit du type de débit le plus efficace pour le transfert de chaleur. Le contre-débit est parfois appelé flux de contre-courant.
Considérations de conception pour les plaques
Les échangeurs thermiques à plaques étant utilisés pour de nombreuses applications, ils doivent être conçus pour résister aux conditions de processus dans lesquelles ils fonctionnent, ce qui peut inclure des environnements corrosifs et érosifs. Il est possible de construire des échangeurs thermiques à plaques à partir de divers matériaux, y compris des métaux, des alliages et des plastiques. Différents matériaux rendent l'échangeur thermique de plaque plus adapté à différentes applications. Par exemple, si un fluide particulier réagit de manière agressive lorsqu'il entre en contact avec certains métaux, des matériaux à base de polymères tels que le Téflon peuvent être utilisés à la place.
Avantages de l'échangeur de chaleur de plaque
Les échangeurs thermiques à plaques présentent de nombreux avantages :
- Les échangeurs thermiques à plaques pèsent moins, nécessitent moins d'espace et sont plus efficaces que les autres modèles d'échangeurs thermiques de même taille.
- Le remplacement et le nettoyage des plaques sont une tâche simple car la pile de plaques peut être facilement ouverte.
- Et contrairement aux échangeurs thermiques à boîtier et à tube, les échangeurs thermiques à plaque ne nécessitent pas d'espace supplémentaire pour le démontage.
Inconvénients de l'échangeur de chaleur de plaque
Mais il existe également quelques inconvénients associés aux échangeurs thermiques à plaques :
- Les échangeurs thermiques à plaques sont généralement plus coûteux que les autres modèles d'échangeurs thermiques.
- Si un joint fuit provoquant un mélange d'un fluide de circulation avec l'autre, la plaque qui fuit est souvent difficile à localiser.
- Le remplacement des joints de plaque in situ peut être difficile ou impossible. Certains joints d'étanchéité doivent être retournés au fabricant pour remplacement, ce qui coûte à la fois du temps et de l'argent.
- Lorsque les plaques sont comprimées ensemble pour former une pile de plaques, l' espace entre chacune des plaques est faible, ce qui augmente le risque d'encrassement avec une réduction correspondante du transfert de chaleur.
- Lors du remontage de la pile de plaques, un serrage excessif des boulons de serrage peut entraîner l'écrasement des plaques, ce qui endommage les ondulations de plaques et fait sortir les joints. Si les joints sont comprimés, la plaque ne sera plus étanche.
- Les échangeurs thermiques à plaques ne sont pas adaptés aux applications à haute pression car les joints seraient expulsés par la pression du système ; cette situation est appelée « soufflage de joint ». Cependant, il est possible de contourner ce problème en utilisant une conception sans joint ; ces conceptions utilisent généralement des plaques brasées ou soudées. Les échangeurs thermiques à plaques brasées et soudées sont plus adaptés aux applications à température et pression élevées, mais également aux applications où les fuites seraient dangereuses/catastrophiques, par exemple des milieux d'écoulement toxiques ou toxiques.
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