Qu'est-ce qu'un échangeur à plaques? Comment ça marche et où est-il utilisé?

Introduction

Les échangeurs à plaques (plate heat exchangers) sont des dispositifs d'échange de chaleur largement utilisés dans les applications industrielles en raison de leur structure compacte, de leur efficacité élevée et de leurs avantages en matière d'entretien, permettant le transfert de chaleur entre deux fluides différents. Cet article examine en détail les principes fondamentaux des échangeurs à plaques, leur mode de fonctionnement, leur structure de conception, leurs avantages et divers domaines d'utilisation.

1. Qu'est-ce qu'un échangeur à plaques?

Un échangeur à plaques est un dispositif d'échange de chaleur constitué de plaques métalliques minces superposées, où les fluides chauds et froids passent dans des directions opposées entre chaque plaque. Dans ces dispositifs, les fluides sont physiquement séparés les uns des autres, mais un échange de chaleur se fait à travers les surfaces des plaques.

1.1 Évolution historique

Les échangeurs à plaques ont été utilisés pour la première fois dans les années 1920, en particulier dans l'industrie alimentaire et laiterie en raison des avantages d'hygiène des plaques en acier inoxydable. Avec le temps, grâce au développement des technologies de conception, de matériaux et de joints, ils sont devenus utilisables dans une gamme beaucoup plus large d'industries.

1.2 Composants de base

Les échangeurs à plaques se composent généralement des principaux composants suivants:

• Plaques de transfert de chaleur
• Systèmes de joint (joints) ou structures soudées/brasées
• Plaques de pression fixes et mobiles
• Boulons de serrage
• Système de support (châssis).

2. Comment fonctionne un échangeur à plaques?

2.1 Principe de transfert de chaleur

Dans les échangeurs à plaques, deux fluides avec une différence de température circulent mutuellement sur les deux côtés des surfaces des plaques. La chaleur transportée par le fluide chaud est transférée au fluide froid à travers la paroi de la plaque. Le transfert de chaleur se fait entièrement par conduction et échange de fluides. Le flux est généralement régulé selon le principe de contre-courant pour assurer une efficacité maximale de transfert de chaleur.

2.2 Chemin des fluides et disposition des plaques

Chaque plaque possède un motif d'ondulation spécial. Ces motifs augmentent la turbulence pour améliorer le transfert de chaleur et assurent la résistance structurelle de la plaque. Les fluides passent en alternance à travers une plaque chaude et une plaque froide le long des chemins définis sur les plaques.

3. Types d'échangeurs à plaques

3.1 Échangeurs à plaques joints (Gasketed PHE)

Des joints élastomères sont présents entre les plaques. Ces joints dirigent les fluides et assurent l'étanchéité. Ils sont faciles à entretenir, permettant la propreté et l'échange de plaques.

3.2 Échangeurs à plaques brasés (Brazed PHE)

Les plaques sont liées ensemble par brasage au cuivre ou au nickel. Ils sont compacts, peuvent être utilisés à haute pression et température. Ils sont conçus de manière non démontable pour le nettoyage et l'entretien.

3.3 Échangeurs à plaques soudés (Welded PHE)

Préférés dans des environnements sans joints, abrasifs ou à haute température. Convient pour les procédés gaziers et chimiques.

3.4 Échangeurs à double paroi et semi-soudés

• Semi-soudé: Une paire de plaques soudées, l'autre côté avec joints. Utilisés pour des applications gaz-liquide spéciales.
• Double paroi: Deux plaques entre chaque fluide. Les fuites potentielles sont dirigées vers l'extérieur. Convient pour des applications à haute sécurité.

4. Avantages des échangeurs à plaques

• Efficacité élevée de transfert de chaleur
• Conception compacte
• Coûts d'entretien réduits
• Facilité de nettoyage et de remplacement des plaques
• Structure modulaire : la capacité peut être augmentée
• Coût d'investissement réduit
• Capacité de fonctionner avec de faibles écarts de température (ΔT)
• Large choix de matériaux (AISI 304, 316, Ti, Hastelloy, etc.)

5. Domaines d'application des échangeurs à plaques

5.1 Systèmes de chauffage et de refroidissement

• Systèmes de chauffage central
• Systèmes de chaudières et de refroidisseurs
• Applications de chauffage pour habitations, hôpitaux et hôtels
• Systèmes de chauffage radiant

5.2 Industrie alimentaire et des boissons

• Systèmes de pasteurisation
• Transformation du lait et des jus de fruits
• Lignes CIP (clean-in-place)
• Refroidissement des cuves de fermentation

5.3 HVAC (Chauffage, Ventilation, Climatisation)

• Systèmes de récupération de chaleur
• Transfert de chaleur avec tour de refroidissement
• Systèmes de fan-coil et d'AHU

5.4 Centrales énergétiques et électriques

• Systèmes de condensation de turbine
• Systèmes de cogénération (CHP)
• Applications d'énergie géothermique

5.5 Industrie chimique et pétrochimique

• Chauffage/refroidissement d'acides, de solvants et de gaz
• Contrôle de la température dans les réacteurs
• Utilisation d'échangeurs résistants à la corrosion (Hastelloy, Titane)

5.6 Applications maritimes et maritimes

• Systèmes de refroidissement moteur
• Chauffage/refroidissement de l'eau de ballast
• Préchauffeurs de carburant

6. Critères de conception et Calculs

6.1 Calcul de la surface de transfert de chaleur

La surface de transfert de chaleur requise