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Fournisseur Audité Un échangeur de plaques se compose d'une série de plaques parallèles placées l'une au-dessus de l'autre afin de permettre la formation d'une série de canaux pour que les fluides s'écoulent entre eux.
L'espace entre deux plaques adjacentes forme le canal dans lequel le fluide s'écoule.
Les orifices d'entrée et de sortie situés aux coins des plaques permettent aux liquides chauds et froids de passer par des canaux alternatifs dans l'échangeur, de sorte qu'une plaque soit toujours en contact d'un côté avec le liquide chaud et de l'autre avec le froid.
La taille d'une plaque peut varier de quelques centimètres carrés (100 mm x 300 mm côté) à 2 ou 3 mètres carrés (1000 mm x 2500 mm côté). Le nombre de plaques dans un seul échangeur va de dix à plusieurs centaines, ce qui permet d'atteindre des zones d'échange de surface jusqu'à des milliers de mètres carrés.
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 peuvent être utilisés à la place.
Les échangeurs thermiques à plaques présentent de nombreux avantages :
Mais il existe également quelques inconvénients associés aux échangeurs thermiques à plaques :
La figure montre le débit de liquides à l'intérieur de l'échangeur. Les fluides sont divisés en plusieurs flux parallèles et peuvent produire un contre-courant parfait.
En général, ces plaques sont ondulées afin d'augmenter la turbulence, la surface d'échange thermique et de fournir une rigidité mécanique à l'échangeur. L'ondulation est obtenue par forgeage à froid de tôles d'une épaisseur de 0,3 mm à 1 mm.
Les matériaux les plus fréquemment utilisés pour les plaques sont l'acier inoxydable (AISI 304, 316), le titane et l'aluminium.
L'ondulation sur les plaques force le fluide sur un chemin tortueux, en plaçant un espace entre deux plaques adjacentes b, de 1 à 5 millimètres.
Les fluides peuvent traverser les canaux en série (une solution moins commune) ou en parallèle en effectuant des configurations de contre-courant ou de courant.
La configuration série est utilisée lorsqu'il y a un faible débit pour chaque fluide mais un saut à la chaleur élevé ; le plus grand problème est une chute de pression élevée et un contre-courant imparfait.
La configuration parallèle avec canaux de contre-courant est utilisée pour les débits élevés avec des baisses de température modérées, et est la plus largement utilisée.
Lorsqu'il y a une grande différence entre les débits (ou entre la chute de pression maximale autorisée) des deux fluides, l'échangeur peut fonctionner deux fois par le fluide avec un débit plus faible (ou des pertes plus élevées) pour équilibrer les valeurs des chutes de pression ou des débits spécifiques dans les canaux.
La figure montre les différentes configurations : en parallèle, en série et mixte
L'un des problèmes les plus courants pour les échangeurs thermiques à plaques est l'alimentation irrégulière de tous les canaux en parallèle. En fait, le fluide tend à se répartir en plus grandes quantités dans les premiers canaux plutôt que dans les derniers afin d'équilibrer la chute de pression.
À mesure que le nombre de plaques augmente, la distribution uniforme diminue, ce qui entraîne une diminution des performances globales de l'échangeur.
Il existe deux types de base d'échangeurs thermiques à plaques : les échangeurs thermiques à plaques brasées BPHE et la chaleur à plaques PHE
Échangeurs.
Dans le PHE , les plaques créent un cadre où les plaques sont pressées avec des embases et des barres d'accouplement, et le joint est garanti par des joints. Les joints, en plus de leur effet d'étanchéité, servent à diriger le flux des liquides, et sont placés le long des rainures aux bords des plaques.
Les températures maximales utilisées pour l'étanchéité des échangeurs thermiques sont comprises entre 80 °C et 200 °C, tandis que les pressions peuvent atteindre 25 bar.
Les joints sont disponibles en différents types de caoutchouc butyle ou silicone.
Échangeurs de chaleur à plaque brasée
Les échangeurs thermiques à plaques brasées ne sont pas dotés de collecteurs, de barres d'accouplement ou de joints d'étanchéité car les plaques sont brasées par four à des températures de 1100 °C.
Pendant la phase d'assemblage, une feuille de matériau de brasage (généralement cuivre mais aussi nickel) est placée entre les plaques, le paquet est pressé et cuit ensuite pendant quelques heures.
L' échangeur BPHE est plus compact, plus léger et moins volumineux qu'un échangeur avec joints.
L'image montre le chemin effectué par le fluide chaud et froid.
Le matériau de brasage assure la fonction des joints et du châssis.
Ces échangeurs sont généralement utilisés avec des plaques ondulées à chevron, qui sont assemblées en alternance avec les directions d'ondulation afin de créer un contact de treillis.
Les points de croisement entre les ondulations de deux plaques couplées forment un réseau dense de points de contact qui confèrent une étanchéité à la pression et induisent des flux tourbillonnants qui améliorent l'échange thermique.
De cette façon, la turbulence des fluides est élevée même à de faibles vitesses d'entrée nominales et l'écoulement passe de laminaire à turbulent pour de faibles débits.
La figure montre une coupe transversale d'un échangeur avec 8 plaques au total (dont 6 sont utiles pour l'échange thermique) dans laquelle les 3 canaux utilisés pour le passage du fluide réfrigérant (en bleu clair) et les 4 pour l'eau (en rouge) sont visibles.
Il est immédiatement perceptible que le chemin fait par les fluides est chaotique, en fait, la section transversale varie continuellement.
Le principal inconvénient de ces échangeurs est qu'ils ne sont pas amovibles et que l'entretien et le nettoyage ne sont pas possibles ou du moins difficiles, et aucune flexibilité n'existe, car le nombre de plaques ne peut en aucune manière être modifié.
La surface des plaques est ondulée afin d'augmenter la turbulence du fluide pendant l'écoulement dans les canaux.
La figure met en évidence les principaux paramètres géométriques de l'ondulation :
Pas d'ondulation p; hauteur d'ondulation b et angle de chevron β par rapport à la direction principale du flux.
L'inclinaison des ondulations de la plaque a un effet déterminant sur les échanges thermiques et les pertes de charge. En fait, une paire de plaques avec un angle β élevé (> 45 °) donne une turbulence et donc un échange de chaleur élevé avec une chute de pression plus élevée.
Un angle plus petit (β <45 °) entraîne un flux de turbulence plus faible et des coefficients d'échange thermique plus faibles, mais également des chutes de pression plus faibles.
La recherche d'un angle β compromis entre des coefficients d'échange élevés et des pertes de charge acceptables est donc essentielle.
La hauteur d'ondulation b a un effet important sur les coefficients d'échange car une plus grande profondeur provoque une plus grande turbulence.
Ces deux images ci-dessous montrent une étude de cas Onda de l'écoulement à l'intérieur du canal d'un échangeur thermique à plaque de brasage, vous pouvez voir l'écoulement entrant et sortant du canal dans le BPHE
La surface réelle est difficile à calculer, de sorte que pour comparer différents échangeurs, il est fait référence à la surface projetée.
Il convient de garder à l'esprit que les échangeurs thermiques avec la même zone projetée (c'est-à-dire les plaques de même taille) peuvent avoir des zones efficaces différentes selon la valeur du facteur d'agrandissement de surface φ.
Le rapport entre la longueur de plaque L et la largeur de plaque W affecte également les performances mais dans une moindre mesure que les autres variables. En général, un rapport élevé entre la longueur et la largeur de la plaque donne des taux d'échange élevés mais des pertes de charge plus élevées.
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Les principales caractéristiques de ces types d'échangeurs de chaleur sont les suivantes :
- démontage rapide et facile pour le nettoyage et les opérations de contrôle
- adaptation à des conditions de fonctionnement variables par ajout ou suppression chauffer les plaques pour modifier le flux thermique installé
- toute fuite de liquide due à une étanchéité non parfaite de l' les joints ne contaminent pas l'autre liquide mais sont dirigés loin
- des matériaux mal adaptés à la soudure, comme le titane, peuvent être utilisés
- les joints limitent les valeurs de pression et de température maximales
- coûts potentiellement élevés en raison de la conception de moules, de presses et de tout le processus de production
- coût élevé des joints
Il existe plusieurs façons de faire varier la capacité de refroidissement d'un échangeur thermique à plaques :
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