Échangeurs de chaleur à plaques et enveloppe combinent les caractéristiques structurelles des échangeurs de chaleur à tubes et calandre et des échangeurs de chaleur à plaques. Ils se composent principalement de deux parties : un faisceau de plaques-tubes et une calandre. L’élément central de transfert de chaleur — les tubes en plaque — est formé en soudant étroitement, le long de leurs bords, des paires de bandes métalliques embouties à froid, créant ainsi une unité plaque-tube contenant plusieurs canaux d’écoulement plats. Ensuite, plusieurs tubes en plaque de largeurs différentes sont disposés dans un ordre précis et fixés aux deux extrémités par des bandes métalliques, formant une plaque tubulaire et, en fin de compte, un faisceau robuste de plaques-tubes. Ce faisceau est ensuite assemblé à l’intérieur d’une calandre circulaire, achevant ainsi la réalisation de l’échangeur de chaleur à plaques et calandre.
Cette conception structurelle unique lui confère à la fois les avantages d’un transfert de chaleur à haut rendement propres aux échangeurs de chaleur à plaques et les caractéristiques de résistance aux hautes températures et aux hautes pressions propres aux échangeurs de chaleur à tubes et calandre, ce qui explique son utilisation répandue dans de nombreux secteurs industriels tels que la chimie, le raffinage pétrolier, la pharmacie, la transformation alimentaire et le génie climatique (CVC).
Le principe de fonctionnement d’un échangeur de chaleur à plaques et calandre repose sur l’échange thermique entre deux fluides circulant chacun dans leurs propres canaux indépendants.
Écoulement côté plaques : le fluide A circule à l’intérieur des tubes plats constitués de paires de plaques soudées entre elles.
Écoulement côté calandre : le fluide B circule à l’intérieur de la calandre, dans les espaces situés entre les faisceaux de tubes plats.
Lorsque les fluides chaud et froid circulent respectivement du côté des plaques et du côté de la coque, la chaleur est rapidement transférée du fluide à haute température vers le fluide à basse température à travers les fines plaques métalliques. Pour obtenir un échange thermique optimal, les fluides dans les faisceaux de plaques sont généralement conçus pour s’écouler en contre-courant pur, c’est-à-dire que les directions globales d’écoulement des deux fluides sont opposées. Cela permet d’obtenir la différence moyenne de température maximale, ce qui permet ainsi d’atteindre une différence minimale de température en sortie pouvant aller jusqu’à 1 °C.
Les échangeurs thermiques à plaques et coque sont privilégiés dans des conditions industrielles sévères grâce à une série d’avantages significatifs :
2.1 Efficacité extrêmement élevée de transfert de chaleur : En raison de l'utilisation de plaques ondulées à parois minces comme éléments de transfert de chaleur, leur coefficient de transfert thermique est nettement supérieur à celui des échangeurs de chaleur traditionnels à tubes et calandre. Les données montrent que leur efficacité de transfert thermique est environ deux fois supérieure à celle des échangeurs de chaleur à tubes et calandre, et même 2 à 4 fois supérieure dans certaines conditions. Les plaques ondulées à « brassage statique » hautement efficaces peuvent générer une turbulence à faible nombre de Reynolds, améliorant ainsi considérablement la récupération de chaleur.
2.2 Résistance élevée à la température et à la pression : Contrairement aux échangeurs de chaleur à plaques démontables, qui reposent sur des joints en caoutchouc pour l'étanchéité, les échangeurs de chaleur à plaques et calandre utilisent une structure entièrement soudée, sans joints, ce qui leur permet de résister à des températures et des pressions plus élevées. Leur température maximale de fonctionnement peut atteindre 800 ℃, voire 900 ℃, et leur pression maximale de fonctionnement peut atteindre 6,3 MPa (ou même davantage, par exemple 35 MPa avec des conceptions spéciales).
2.3 Structure compacte et encombrement réduit : En raison de son rendement élevé en transfert de chaleur, la surface d’échange thermique requise est nettement plus petite que celle des échangeurs de chaleur à tubes et calandre pour atteindre la même charge de transfert thermique, ce qui permet d’obtenir des équipements plus compacts et plus légers. Cela permet non seulement d’économiser un espace d’installation précieux, mais aussi de réduire les coûts des structures de support et des fondations.
2.4 Anti-encrassement et entretien facile : Les canaux d’écoulement plats à l’intérieur des tubes à plaques ainsi que les canaux d’écoulement complexes du côté calandre génèrent des vitesses élevées du fluide. L’état de forte turbulence confère d’excellentes propriétés d’autonettoyage, ralentissant efficacement le dépôt d’encrassements. En outre, de nombreux échangeurs de chaleur à plaques et calandre sont dotés de faisceaux tubulaires amovibles, ce qui facilite le nettoyage mécanique ou chimique et prolonge considérablement la durée de fonctionnement de l’équipement.
2.5 Coûts d’exploitation réduits : Un transfert de chaleur très efficace se traduit par une récupération thermique supérieure, réduisant ainsi considérablement la charge du four et la consommation d’énergie. Parallèlement, la conception optimisée des canaux d’écoulement minimise la chute de pression du fluide, réduisant par conséquent la consommation d’énergie des pompes et des ventilateurs.
| Avantage dimensionnel | Description des performances | Données et indicateurs quantitatifs |
|---|---|---|
| Efficacité du transfert de chaleur | Coefficient de transfert de chaleur élevé, environ deux fois supérieur à celui des échangeurs de chaleur à tubes et calandre. | 2 à 4 fois plus élevé que les équipements traditionnels |
| Résistance élevée à la température et à la pression | Structure entièrement soudée conçue pour des conditions de fonctionnement sévères, à haute température et haute pression. | Température ≤ 900 °C, Pression ≤ 35 MPa |
| Structure compacte | Encombrement réduit et conception légère, réduisant ainsi sensiblement l’espace d’installation et le coût des infrastructures. | Le poids représente environ 43 % de celui d’un échangeur de chaleur à tubes et calandre |
| Entretien facile | Une vitesse d’écoulement élevée réduit l’encrassement ; le faisceau de plaques peut être retiré pour nettoyage. | Long cycle d'exploitation et temps d'arrêt pour maintenance réduit |
| Exploitation économique | Un rendement élevé de récupération de chaleur et une faible perte de charge contribuent à réduire la consommation d'énergie. | Écart de température aussi faible que 1–3 °C, perte de charge ≤ 80 kPa |
3.1 Raffinage pétrolier et industries pétrochimiques
Pétrochimie constitue l’un des domaines d’application principaux des échangeurs de chaleur à plaques et enveloppe. Ils sont largement utilisés dans les unités de reformage catalytique, de disproportionnement des aromatiques, d’isomérisation et d’hydrogénation en tant qu’échangeurs de chaleur critiques pour les alimentations. Dans ces unités, ils récupèrent efficacement la chaleur élevée des produits de réaction afin de préchauffer les charges entrantes, réduisant ainsi considérablement la charge du four, la consommation d’énergie et les coûts d’investissement. En outre, ils sont utilisés comme condenseurs de tête, échangeurs de chaleur aux amines et refroidisseurs de milieux dans les colonnes de fractionnement.
3.2 Industries chimiques du charbon et énergétiques
Dans les usines de transformation du charbon en pétrole, les échangeurs de chaleur à plaques et enveloppe sont conçus de façon innovante comme séparateurs à échange thermique circulatoire, intégrant un transfert de chaleur hautement efficace et une séparation gaz-liquide de haute précision, ce qui simplifie le procédé et économise de l’espace. Dans les usines de méthanol et d’éthylène glycol, ils sont utilisés comme échangeurs de chaleur gaz-gaz afin de récupérer la chaleur du gaz de synthèse sortant de la tour. Ils jouent également un rôle important dans le chauffage urbain, les centrales de cogénération, la récupération de l’énergie froide du GNL (gaz naturel liquéfié) et la production d’électricité cryogénique par cycle de Rankine organique (ORC).
3.3 Industries agroalimentaire et pharmaceutique
En raison de leurs caractéristiques structurelles répondant aux exigences sanitaires strictes, de leur rendement élevé en transfert de chaleur et de leur faible temps de séjour des matières, les échangeurs de chaleur à plaques et enveloppe sont largement utilisés dans nourriture et pharmaceutique les industries de transformation. Par exemple, ils sont employés dans les phases de chauffage et de refroidissement des huiles végétales, ainsi que dans les étapes de condensation, de dégivrage (démistage) et de récupération des solvants dans les procédés pharmaceutiques.
3.4 Industrie générale et services publics
Dans des industries telles que acier et fabrication du papier , ils peuvent être utilisés pour le refroidissement des fluides de process et la récupération de chaleur. Dans les installations de raffinerie, les échangeurs de chaleur à plaques sont couramment utilisés comme échangeurs thermiques entre les systèmes d’eau de refroidissement en circuit fermé et l’eau de mer ou l’eau lacustre. Leur résistance à la corrosion et leurs performances élevées en matière d’échange thermique leur permettent de gérer des débits élevés et de faibles écarts de température. Ils sont également capables de traiter des milieux de process contenant des particules solides en suspension ou des fibres.
Les échangeurs de chaleur à plaques, grâce à une conception structurelle ingénieuse, combinent avec succès les avantages des échangeurs de chaleur à plaques et des échangeurs de chaleur à tubes et enveloppe, offrant des solutions excellentes pour les applications industrielles à haute température, haute pression, grand débit et forte consommation énergétique. Bien que leur procédé de fabrication soit complexe et que leurs exigences en matière de soudage soient élevées, ce qui peut entraîner un investissement initial relativement important, leurs avantages en matière d’économie d’énergie, leur stabilité ainsi que leur fiabilité opérationnelle à long terme en font un équipement clé pour les grandes installations industrielles modernes visant à réaliser des économies d’énergie, à réduire les émissions et à améliorer l’efficacité économique. Avec les progrès constants des technologies de fabrication et la montée en puissance de la production nationale, les échangeurs de chaleur à plaques joueront incontestablement un rôle encore plus important dans un nombre croissant de secteurs industriels.
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