Les échangeurs thermiques à plaques se composent principalement de plaques d’échangeur thermique, de châssis d’échangeur thermique et de joints d’échangeur thermique. Par conséquent, les performances et la qualité du joint PHE déterminent directement si l’échangeur thermique à plaques peut fonctionner en toute sécurité, efficacement et sur une longue période.
Plaque d’échangeur thermique : Fournit la surface solide et la résistance structurelle nécessaires à l’échange thermique.
Châssis d’échangeur thermique : Fournit la force de serrage, maintenant fermement l'ensemble des plaques et des joints.
Joint d'échangeur de chaleur : Assure à la fois l'étanchéité et le contrôle précis de la direction d'écoulement du fluide.
Les fonctions principales du joint d’échangeur de chaleur à plaques sont les suivantes :
La Joint de l'échangeur de chaleur est généralement conçu avec une forme de section transversale spécifique et soumis à une compression précisément contrôlée dans les rainures à joints de la plaque d’échangeur de chaleur à plaques (ECP). Cela garantit la contrainte de contact requise pour l’étanchéité tout en permettant une élasticité suffisante pour absorber les fluctuations de pression pendant le fonctionnement.
Chaque plaque est entourée de joints en caoutchouc. Lorsque toutes les plaques sont comprimées ensemble par les plaques de serrage avant et arrière, les joints PHE se compriment pour former un joint d’étanchéité élastique, empêchant les fluides circulant à l’intérieur de l’échangeur de chaleur (par exemple de l’eau chaude à haute température, des solutions chimiques corrosives, de la vapeur, etc.) de fuir vers l’extérieur. Les fuites externes entraînent non seulement une perte d’énergie et de fluide, mais peuvent également provoquer des brûlures, une contamination ou même des accidents de sécurité.
Les joints en caoutchouc assurent également une fonction d’étanchéité autour des quatre trous d’angle de chaque plaque. Dans un Échangeur de chaleur à plaque les fluides chaud et froid entrent et sortent par des orifices situés dans les coins opposés. Si les joints d’étanchéité aux orifices des coins viennent à céder, le fluide sous haute pression peut s’infiltrer du côté basse pression, entraînant un mélange des deux fluides. Par exemple, dans un système de chauffage, si de l’eau à haute température provenant du réseau primaire se mélange au réseau secondaire, cela peut provoquer une élévation incontrôlée de la température de l’eau de chauffage fournie aux utilisateurs ; dans les industries agroalimentaire ou pharmaceutique, une telle contamination croisée peut entraîner directement le rejet d’un lot entier de produits.
L’agencement des caoutchoucs n’est pas arbitraire, mais suit une logique précise afin de contrôler le trajet des fluides chaud et froid des deux côtés des plaques. On peut considérer que, sans ces caoutchoucs, les plaques d’échangeur à plaques ne sont qu’un simple empilement de tôles métalliques, tandis que, grâce à des caoutchoucs soigneusement conçus, elles deviennent des échangeurs thermiques performants et ordonnés.
Les joints d’échangeur thermique sur les plaques adjacentes entrent en contact les uns avec les autres, divisant l’espace entre les plaques en canaux alternés d’écoulement froid et chaud. Les fluides sont contraints d’entrer par les orifices situés dans les coins, s’écoulent le long de la direction ondulée de la surface de la plaque, puis sortent par les orifices opposés situés dans les coins.
En modifiant la conception ouverte ou fermée des joints en caoutchouc autour des orifices situés dans les coins, il est possible d’obtenir des configurations à simple passage, à double passage, voire à multiples passages. Par exemple, une conception à double passage fait circuler le fluide une fois au sein du groupe de plaques d’échangeur thermique, augmentant ainsi la vitesse d’écoulement, renforçant la turbulence et améliorant le coefficient de transfert thermique de plus de 30 %.
La zone de guidage d'écoulement sur le joint en caoutchouc du PHE répartit uniformément le fluide entrant sur toute la surface de la plaque, empêchant ainsi l'apparition de « zones mortes » ou de déviations d'écoulement. En l'absence d'un guidage adéquat de l'écoulement assuré par le joint en caoutchouc, le fluide empruntera simplement un « raccourci » de l'entrée à la sortie, gaspillant la majeure partie de la surface d'échange thermique et entraînant une chute brutale de l'efficacité d'échange thermique, qui tombe alors à moins de 20 % de la valeur prévue par conception.
L'élasticité du joint en caoutchouc de l'échangeur thermique ne sert pas uniquement à l'étanchéité, mais fournit également une protection mécanique essentielle.
Lors du montage et du serrage, en l'absence de la couche amortissante constituée par le joint en caoutchouc, les sommets des ondulations de plaques adjacentes entreront en collision directe, provoquant des indentations localisées, des déformations ou même des fissurations. Le joint en caoutchouc du PHE agit comme un « tampon souple », permettant de répartir uniformément la force de serrage sur les bords et les zones des coins des plaques.
Pendant le fonctionnement, les échangeurs de chaleur subissent des vibrations minimes dues aux fluctuations de température et aux pulsations de pression. En l’absence d’isolation assurée par des joints en caoutchouc, les plaques frottent les unes contre les autres, endommageant progressivement la couche anticrosion superficielle et provoquant des piqûres ou une corrosion sous contrainte. La structure élastomère du joint en caoutchouc permet d’absorber ces micro-vibrations.
Lorsque les matériaux des plaques PHE diffèrent entre eux ou lorsqu’ils diffèrent du matériau des boulons de serrage, des piles galvaniques peuvent se former dans un environnement électrolytique humide. En tant que séparateur non métallique, le joint PHE peut bloquer le chemin électrique et ralentir la corrosion électrochimique.
Pendant le démarrage, l'arrêt et la régulation de la charge, la variation de température des plaques métalliques d’un échangeur de chaleur à plaques peut aller de la température ambiante à 150 °C ou même davantage. Bien que le coefficient de dilatation thermique des métaux ne soit pas élevé, l’effet cumulé dans les grands échangeurs de chaleur peut entraîner une variation de plusieurs millimètres de la longueur totale de l’ensemble de plaques.
Le joint en caoutchouc présente une excellente résilience à la compression et un faible taux de déformation permanente. Lorsque les plaques se dilatent sous l’effet de la chaleur, le joint en caoutchouc est comprimé davantage ; lorsqu’elles se refroidissent et se contractent, le joint en caoutchouc reprend sa forme pour combler les jeux. Cette capacité de « suivi dynamique » est une caractéristique que les joints rigides ne peuvent pas offrir.
Les joints d’échangeur de chaleur de haute qualité sont formulés pour résister à la relaxation sous contrainte à haute température et à haute pression, garantissant ainsi une force d’étanchéité stable pendant plusieurs années. Certains joints haute performance sont même conçus avec une structure auto-serrante.
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