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Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont l'un des types d'échangeurs les plus populaires en raison de la flexibilité dont le concepteur a besoin pour permettre une large gamme de pressions et de températures. Il existe deux catégories principales d' échangeur de coque et de tube :
Ceux qui sont utilisés dans l'industrie pétrochimique et qui sont généralement couverts par les normes de TEMA, Tubular Exchanger Manufacturers Association (voir les normes TEMA);
ceux qui sont utilisés dans l'industrie de l'énergie, comme les réchauffeurs d'eau d'alimentation et les condensateurs de centrale électrique.
Quel que soit le type d'industrie, l'échangeur doit être utilisé dans un certain nombre de caractéristiques communes (voir condenseurs).
Un échangeur de coque et de tube se compose d'un certain nombre de tubes montés à l'intérieur d'une coque cylindrique. La figure 1 illustre une unité typique qui peut être trouvée dans une usine pétrochimique. Deux liquides peuvent échanger de la chaleur, un liquide s'écoule sur l'extérieur des tubes, tandis que le second liquide s'écoule dans les tubes. Les fluides peuvent être monophasés ou biphasés et peuvent circuler en parallèle ou en croix/contre-flux.
L'échangeur de coque et de tube se compose de quatre parties principales :
Barre de coupe avant - c'est là que le liquide entre dans le tuborde de l'échangeur. Il est parfois appelé barre de coupe fixe.
Barre de coupe arrière - c'est là que le liquide tuborde quitte l'échangeur ou est renvoyé vers la barre de coupe avant dans les échangeurs à plusieurs passages tuborde.
Ensemble de tubes - comprend les tubes, les plaques de tubes, les déflecteurs et les barres d'accouplement, etc. Pour maintenir le faisceau ensemble.
Coque - contient le faisceau de tubes.
Le reste de cette section se concentre sur les échangeurs couverts par la norme TEMA.
Dans un échangeur de tubesched fixe, la tubesched est soudée à la coque. Cela permet une construction simple et économique et les alésages de tube peuvent être nettoyés mécaniquement ou chimiquement. Cependant, les surfaces extérieures des tubes sont inaccessibles, sauf pour le nettoyage chimique.
Si de grandes différences de température existent entre les matériaux de la coque et du tube, il peut être nécessaire d'incorporer un soufflet d'expansion dans la coque, afin d'éliminer les contraintes excessives causées par l'expansion. Ces soufflets sont souvent une source de faiblesse et de défaillance en fonctionnement. Dans les cas où les conséquences de la défaillance sont particulièrement graves U-tube ou unités de tête de récolte flottante sont normalement utilisées.
C'est le moins cher de tous les modèles de faisceaux amovibles, mais est généralement légèrement plus cher qu'une conception à paroi tubesée fixe à basse pression.
Dans un échangeur de tube en U, n'importe quel type de barre de coupe avant peut être utilisé et la barre de coupe arrière est normalement de type M. Les tubes en U permettent une dilatation thermique illimitée, le faisceau de tubes peut être retiré pour le nettoyage et les petits jeux entre le faisceau et la coque peuvent être obtenus. Cependant, étant donné que le nettoyage interne des tubes par des moyens mécaniques est difficile, il est normal d'utiliser ce type uniquement lorsque les liquides du côté du tube sont propres.
Dans ce type d'échangeur, la paroi de la tête de récolte arrière n'est pas soudée à la coquille mais peut se déplacer ou flotter. La paroi de la barre de coupe avant (côté tube, côté entrée de liquide) est d'un diamètre plus grand que la coquille et est scellée de la même manière que celle utilisée dans la conception à paroi fixe. La paroi tubulaire à l'extrémité arrière de la coquille est d'un diamètre légèrement inférieur à la coquille, ce qui permet au faisceau d'être tiré à travers la coquille. L'utilisation d'une tête flottante permet une dilatation thermique et le faisceau de tubes peut être retiré pour le nettoyage. Il existe plusieurs types de barre de coupe arrière qui peuvent être utilisés, mais la barre de coupe arrière S-Type est la plus populaire. Un échangeur à tête flottante est adapté aux tâches rigoureuses associées à des températures et des pressions élevées, mais il est plus coûteux (généralement de l'ordre de 25 % pour la construction en acier au carbone) que l'échangeur à paroi tubulaire fixe équivalent.
En tenant compte de chaque type d'embase et de coque à tour de rôle :
Ce type de barre de coupe est facile à réparer et à remplacer. Il permet également d'accéder aux tubes pour le nettoyage ou la réparation sans avoir à perturber le travail de tuyauterie. Il comporte toutefois deux joints (l'un entre le panneau du tube et la barre de coupe et l'autre entre la barre de coupe et la plaque d'extrémité). Cela augmente le risque de fuite et le coût de la barre de coupe par rapport à une barre de coupe avant de type B.
C'est le type de barre de coupe avant le moins cher. Il est également plus adapté que la barre de coupe avant de type A pour les tâches à haute pression car la barre de coupe n'a qu'un seul joint. L'inconvénient est que pour accéder aux tubes, il faut perturber le travail de tuyauterie afin de déposer le cueilleur.
Ce type de barre de coupe est destiné aux applications haute pression (> 100 bar). Il permet d'accéder au tube sans perturber le travail du tuyau, mais il est difficile à réparer et à remplacer car le faisceau de tube fait partie intégrante de la barre de coupe.
Il s'agit du type de barre de coupe avant le plus coûteux. Il est destiné aux pressions très élevées (> 150 bar). Il permet d'accéder aux tubes sans perturber le travail des tuyaux, mais il est difficile à réparer et à remplacer car le faisceau de tubes fait partie intégrante de la barre de coupe.
L'avantage de ce type de barre de coupe est qu'il est possible d'accéder aux tubes sans perturber le travail de tuyauterie et qu'il est moins cher qu'une barre de coupe avant de type A. Cependant, ils sont difficiles à entretenir et à remplacer car l'en-tête et la tôle de tube font partie intégrante de la coque.
Strictement parlant, il ne s'agit pas d'un type désigné par la TEMA, mais il est généralement reconnu. Il peut être utilisé comme barre de coupe avant ou arrière et lorsque l'échangeur doit être utilisé dans une conduite de tuyauterie. Il est moins cher que les autres types d'embases car il réduit les coûts de tuyauterie. Il est principalement utilisé avec des unités à passage simple en tube, bien qu'avec un partitionnement approprié, n'importe quel nombre impair de passages peut être autorisé.
Il s'agit du type de boîtier le plus couramment utilisé, adapté à la plupart des tâches et applications. D'autres types de coques ont tendance à être utilisés uniquement pour des tâches ou des applications spéciales.
Cette fonction est généralement utilisée lorsque le courant de contre-courant pur est requis dans une unité de passe latérale à deux tubes. Pour ce faire, deux passages latéraux de la coque sont possibles, les deux passages étant séparés par un déflecteur longitudinal. Le principal problème avec ce type d'unité est la fuite thermique et hydraulique à travers ce déflecteur longitudinal, sauf précautions spéciales.
Il est utilisé pour les rebouilleurs thermosyphon horizontaux et les applications où la chute de pression côté chelle doit être maintenue faible. Pour ce faire, il faut diviser le flux côté coque.
Cette méthode est utilisée pour des applications similaires à celles de la coque de type G, mais elle a tendance à être utilisée lorsque des unités plus grandes sont requises.
Cette méthode est généralement utilisée lorsque la chute de pression maximale autorisée est dépassée dans une coque de type E, même si des déflecteurs à double segment sont utilisés. Il est également utilisé lorsque les vibrations du tube posent problème. Le flux divisé sur le côté de la coque réduit les vitesses d'écoulement sur les tubes et réduit ainsi la chute de pression et la probabilité de vibration du tube. Lorsqu'il y a deux buses d'entrée et une buse de sortie, on parle parfois de buse de type I.
Cette fonction est utilisée uniquement pour les rechauffeurs afin de fournir un espace de désengagement important afin de minimiser le transfert de liquide côté ornement. Une coque de type K peut également être utilisée comme refroidisseur. Dans ce cas, le processus principal est de refroidir le liquide côté tube en faisant bouillir un liquide sur le côté de l'appareil.
Cette fonction est utilisée si la chute de pression maximale du côté de l'enveloppe est dépassée par toutes les autres combinaisons de type de déflecteur et de coquille. Les principales applications sont les condensateurs à parois en shellside et les refroidisseurs de gaz.
Ce type d'en-tête est destiné à être utilisé uniquement avec des feuilles de tubesched fixes, car la paroi de tubesched est soudée à la coque et l'accès à l'extérieur des tubes n'est pas possible. Les principaux avantages de ce type de barre de coupe sont que l'accès peut être obtenu à l'intérieur des tubes sans avoir à retirer aucune tuyauterie et que les jeux entre le faisceau et la coque sont faibles. L'inconvénient principal est qu'un soufflet ou un rouleau d'expansion sont nécessaires pour permettre de grandes expansions thermiques et limiter ainsi la température et la pression de fonctionnement autorisées.
Ce type de barre de coupe est similaire à la barre de coupe arrière de type L mais il est légèrement moins cher. Cependant, la barre de coupe doit être déposée pour accéder à l'intérieur des tubes. Là encore, des mesures spéciales doivent être prises pour faire face à de grandes expansions thermiques, ce qui limite la température et la pression de fonctionnement autorisées.
L'avantage de ce type de barre de coupe est qu'il est possible d'accéder aux tubes sans perturber le travail de tuyauterie. Cependant, ils sont difficiles à entretenir et à remplacer car l'en-tête et la tôle de tube font partie intégrante de la coquille.
Il s'agit d'une barre de coupe arrière flottante emballée à l'extérieur. En théorie, il s'agit d'une tête flottante à faible coût qui permet d'accéder à l'intérieur des tubes pour le nettoyage et de retirer le faisceau pour le nettoyage. Les principaux problèmes avec ce type de barre de coupe sont les suivants :
grand jeu entre le faisceau et la coque requis pour tirer le faisceau ;
il est limité aux liquides non dangereux basse pression, car il est possible que le liquide de la coque fuit par les anneaux d'étanchéité ;
seules les petites expansions thermiques sont autorisées.
En pratique, ce n'est pas une conception à faible coût, car la coque doit être enroulée à de petites tolérances pour que l'emballage soit efficace.
Il s'agit d'une barre de coupe arrière flottante avec dispositif d'appui. Il s'agit du type de tête flottante le plus cher mais permet de retirer le faisceau et une expansion thermique illimitée est possible. Il possède également des jeux de faisceaux plus petits que les autres types de tête flottante. Cependant, il est difficile de démonter pour le tirage de faisceaux et le diamètre de la coque et les jeux entre faisceaux et boîtiers sont plus grands que pour les échangeurs à tête fixe.
Il s'agit d'une tête flottante à traction. Il est moins cher et plus facile de retirer le faisceau qu'avec l'embase arrière S-Type, mais permet une expansion thermique illimitée. Cependant, il possède le plus grand jeu entre le faisceau et la coque de tous les types de tête flottante et est plus coûteux que les types à embase fixe et à tube en U.
C'est le moins cher de tous les modèles de faisceaux amovibles, mais est généralement légèrement plus cher qu'une conception à paroi tubesée fixe à basse pression. Cependant, il permet une dilatation thermique illimitée, permet de retirer le faisceau pour nettoyer l'extérieur des tubes, a le faisceau le plus serré par rapport à la coquille et est la conception la plus simple. L'inconvénient de la conception du tube en U est qu'il ne peut normalement pas avoir un flux de contre-courant pur à moins qu'une coque de type F ne soit utilisée. De plus, les conceptions de tube en U sont limitées à un nombre pair de passages de tube.
C'est une tubesitheet flottante avec anneau lanterne. Il est le moins cher des modèles à tête flottante, permet une dilatation thermique illimitée et permet de retirer le faisceau de tubes pour le nettoyage. Les principaux problèmes avec ce type de tête sont:
les jeux entre le faisceau de grande taille et la coque nécessaires pour tirer le faisceau et ;
la limitation aux liquides non dangereux basse pression (car il est possible que les deux liquides fuient via les anneaux de remplissage).
Il est également possible que les liquides du côté de la coque et du côté du tube se mélangent en cas de fuite.
Le diamètre des tubes peut varier de 12.7 mm (0.5 po) à 50.8 mm (2 po), mais les tailles les plus courantes sont 19.05 mm (0.75 po) et 25.4 mm (1 po). Les tubes sont disposés en forme de triangles ou de carrés dans les feuilles de tubes.
Les dispositions carrées sont nécessaires lorsqu'il est nécessaire d'atteindre la surface du tube pour le nettoyage mécanique. La disposition triangulaire permet d'utiliser plus de tubes dans un espace donné. Le pas du tube est la distance centre-centre la plus courte entre les tubes. L'espacement du tube est donné par le rapport pas/diamètre du tube, qui est normalement de 1.25 ou 1.33. Comme une disposition carrée est utilisée pour le nettoyage, un espace minimum de 6.35 mm (0.25 po) est autorisé entre les tubes.
Les déflecteurs sont installés sur le côté de la coquille pour obtenir un taux de transfert de chaleur plus élevé en raison de la turbulence accrue et pour soutenir les tubes, réduisant ainsi les risques de dommages dus aux vibrations. Il existe plusieurs types de chicanes différents, qui soutiennent les tubes et favorisent l'écoulement dans les tubes
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