A Échangeur de chaleur à plaques soudées est un ensemble de plaques métalliques ondulées empilées. Ces plaques sont généralement embouties en forme ondulée afin d’accroître leur résistance structurelle et leur surface d’échange thermique. Contrairement aux échangeurs de chaleur à plaques jointoyées, dans un échangeur de chaleur à plaques soudées (PHE), les bords de chaque paire de plaques sont étanchéifiés hermétiquement entre eux par un procédé de soudage au laser, formant ainsi un ensemble de plaques indépendant. Ces ensembles de plaques sont ensuite soudés entre eux pour former des canaux destinés à l’écoulement alterné des fluides chaud et froid. L’ensemble du groupe de plaques est encapsulé dans un cadre ou une enveloppe robuste (généralement en acier au carbone ou en acier inoxydable), et l’étanchéité entre le groupe de plaques et le cadre peut être assurée par quelques joints toriques (O-rings) ou par une structure entièrement soudée.
L'échangeur de chaleur à plaques et cadre soudé fonctionne selon le principe du transfert de chaleur indirect, dans lequel des fluides chaud et froid circulent en sens opposés dans des canaux indépendants séparés par des plaques métalliques, échangeant ainsi de la chaleur à travers les parois des plaques.
1.1 Conception du canal d'écoulement
Les ensembles de plaques sont soigneusement conçus pour former deux systèmes de canaux d'écoulement fermés et totalement indépendants. Un fluide entre dans chaque autre canal, tandis qu’un second fluide entre dans le canal adjacent. Comme les bords des plaques sont entièrement soudés, les deux fluides ne se mélangent jamais à l’intérieur.
1.2 Processus de transfert de chaleur
Lorsque le fluide à haute température circule à travers les plaques ondulées, il cède sa chaleur aux parois des plaques. La chaleur est rapidement conduite du côté haute température vers le côté basse température à travers la plaque extrêmement mince de l’échangeur à plaques (PHE). Le fluide à basse température circule de l’autre côté de la plaque, absorbant la chaleur transférée depuis les parois des plaques.
1.3 Amélioration de la turbulence
La structure ondulée spéciale des plaques joue un rôle crucial. Lorsque le fluide circule dans ces ondulations, il génère un niveau élevé de turbulence et un écoulement secondaire. Cette turbulence perturbe la couche limite laminaire au niveau de la paroi, augmentant ainsi le coefficient de transfert de chaleur convectif. Par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels à tubes et calandre lisses, son efficacité de transfert thermique peut être accrue de 4 à 5 fois.
L’échangeur de chaleur à plaques soudées allie les avantages des échangeurs de chaleur à plaques et des échangeurs de chaleur à tubes et calandre, offrant les avantages significatifs suivants :
2.1 Résistance aux hautes températures et aux hautes pressions
En supprimant les joints non métalliques entre les plaques, il peut supporter des températures et des pressions de fonctionnement plus élevées. Il convient généralement à des plages de température allant de -200 °C à +450 °C et à des plages de pression allant du vide total à 50 bar ou plus.
2.2 Efficacité thermique extrêmement élevée
La forte turbulence induite par les plaques ondulées entraîne un coefficient de transfert de chaleur extrêmement élevé, ce qui signifie qu’une surface de transfert de chaleur beaucoup plus petite est requise pour atteindre la même charge de transfert de chaleur que celle des échangeurs de chaleur traditionnels. Parallèlement, il permet d’atteindre une différence de température minimale de 2 à 3 °C entre les fluides chaud et froid à la sortie, assurant ainsi une excellente récupération d’énergie.
2.3 Structure compacte
Le rendement élevé en transfert de chaleur se traduit directement par des dimensions réduites de l’équipement. Les échangeurs de chaleur à plaques soudées sont généralement très compacts, occupent peu d’espace et sont légers. Ils peuvent même être installés au sommet de colonnes de distillation ou suspendus à des structures porteuses, permettant ainsi des économies substantielles d’espace et de coûts d’installation.
2.4 Adapté aux milieux agressifs
En raison de l’absence de joints, il présente une excellente compatibilité avec une large gamme de produits chimiques, de solvants, d’hydrocarbures et de milieux corrosifs, éliminant ainsi le risque de corrosion ou de gonflement des joints.
2,5 Entretien facile
Le Échangeur de chaleur de type BLOC présente des plaques latérales amovibles. Le retrait de ces plaques latérales permet un accès complet au groupe de plaques pour le nettoyage mécanique ou l’inspection, résolvant ainsi la difficulté de nettoyage rencontrée avec les échangeurs de chaleur entièrement soudés traditionnels.
| Dimension de comparaison | Échangeur de chaleur à plaques soudées | Échangeur de Chaleur à Plaques Jointées | Échangeur de chaleur tubulaire |
|---|---|---|---|
| Principe de fonctionnement | Les plaques soudées au laser forment des canaux ondulés étanches dans lesquels les fluides circulent en sens contraire pour l’échange thermique. | Des joints en caoutchouc assurent l’étanchéité entre les plaques, permettant aux fluides de circuler entre elles selon des schémas à contre-courant ou à courants mixtes. | Les fluides circulent séparément côté tube et côté calandre, échangeant de la chaleur à travers les parois des tubes. |
| Résistance à la température | Excellent. Convient aux conditions à haute température, généralement comprises entre -200 °C et +450 °C. | Limité. Restreint par le matériau des joints, généralement jusqu’à 160 °C – 180 °C. | Excellent. Convient à des températures extrêmement hautes ou basses sur une large plage. |
| Résistance à la pression | Bon. Généralement jusqu’à 3,0 – 4,0 MPa, avec des pressions plus élevées possibles dans des conceptions spéciales. | Modéré. Limité par l’étanchéité des joints et la résistance du châssis, généralement ≤ 2,5 MPa. | Excellent. Conçu pour des applications à très haute pression. |
| Efficacité du transfert de chaleur | Très élevé. Les plaques ondulées génèrent une forte turbulence avec un écart de température aussi faible que 2–3 °C. | Très élevé. Profite également de l’écoulement turbulent et de coefficients de transfert thermique élevés. | Inférieur. Nécessite généralement une surface de transfert thermique plus importante en raison de coefficients de transfert thermique plus faibles. |
| Compacité | Compact. Grande surface de transfert thermique par unité de volume, empreinte au sol réduite et poids léger. | Très compact. Surface de transfert thermique la plus élevée par unité de volume et le plus efficace en termes d’espace. | Encombrant et lourd. Surface de transfert thermique plus faible par unité de volume et espace d’installation plus important. |
| Étanchéité et risque de fuite | Excellent. Aucun joint, risque extrêmement faible de fuite interne, idéal pour les milieux inflammables, explosifs ou toxiques. | Risque plus élevé. Plusieurs joints peuvent vieillir avec le temps et provoquer des fuites. | Risque faible. Les fuites surviennent principalement aux raccords entre les tubes et la plaque tubulaire, mais sont généralement inférieures à celles des échangeurs à plaques à joints. |
| Nettoyage et entretien | Modéré à difficile. Le nettoyage s’effectue principalement par voie chimique. Certains modèles BLOC permettent d’ouvrir le côté calandre pour le nettoyage. | Excellent. L’empilement de plaques peut être facilement ouvert pour un nettoyage mécanique et un ajustement du nombre de plaques. | Modéré. Le côté tube peut être nettoyé mécaniquement, tandis que le côté calandre est généralement nettoyé par voie chimique. |
| Compatibilité avec les fluides | Très vaste. Résistance à la corrosion élevée grâce à de multiples options de matériaux. Adapté aux solvants, huiles et produits chimiques susceptibles d’endommager les joints en caoutchouc. | Limité. Non adapté aux fluides attaquant ou dissolvant les joints en caoutchouc, tels que les solvants forts, les acides, les alcalis ou les composés aromatiques. | Très vaste. Compatible avec la plupart des fluides. |
| Coût initial | Moyen à élevé. Plus élevé que les échangeurs à plaques jointées, mais généralement inférieur à celui des échangeurs tubulaires en alliages hautement résistants. | Faible. La production normalisée permet d’obtenir le coût le plus bas par unité de surface d’échange thermique. | Élevé. Nécessite davantage de matériaux et une fabrication plus complexe, notamment lorsqu’on utilise des alliages spéciaux. |
| Coût d’entretien à long terme | Moyen. Les coûts proviennent principalement du nettoyage chimique et des éventuelles réparations par soudage. | Plus élevé. Les joints doivent être remplacés régulièrement et le démontage augmente les coûts de main-d’œuvre. | Moyen. Coût d’entretien stable, mais les obturations de tubes peuvent réduire les performances. |
Grâce à leurs performances élevées, les échangeurs thermiques à plaques soudées sont largement utilisés dans divers domaines industriels exigeants :
3.1 Pétrochimie et raffinage
Utilisés pour le chauffage, le refroidissement, la condensation et la rebouilance dans des procédés tels que le préchauffage du pétrole brut, les systèmes à solution d’amines (refroidissement/rebouilance), les condenseurs en tête des colonnes de fractionnement, les unités de reformage et l’hydrocraquage.
3.2 Industrie des procédés chimiques
Très utilisée pour le contrôle de la température dans les procédés de production de produits chimiques organiques (tels que les oléfines et les composés aromatiques), d’intermédiaires (tels que l’acide acrylique) et de polymères (tels que le polypropylène).
3.3 Énergie et puissance
Utilisée comme échangeurs thermiques de récupération de chaleur, refroidisseurs dans les systèmes fermés d’eau de refroidissement et pompes à chaleur industrielles, elle joue également un rôle essentiel dans des domaines émergents tels que l’énergie hydrogène (par exemple, le refroidissement des gaz dans la production d’hydrogène vert).
3.4 Métallurgie et industrie lourde
Utilisée pour le refroidissement de l’huile hydraulique, de l’huile lubrifiante et de diverses eaux de refroidissement de procédé.
3.5 Industries agroalimentaire et pharmaceutique
Des modèles spécialement conçus (par exemple, avec des plaques lisses afin d’éviter l’accumulation de matières) conviennent aux applications exigeant un niveau d’hygiène extrêmement élevé et nécessitant un nettoyage fréquent.
3.6 Chauffage, ventilation et climatisation (CVC) et énergie de quartier
Utilisée pour le chauffage urbain, la préparation d’eau chaude dans les grands bâtiments et la récupération de chaleur perdue.
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