Tubes d’échangeurs de chaleur: types et utilisations industrielles

La chaleur joue un rôle central dans la plupart des applications industrielles et commerciales. Les fluides sont constamment chauffés, refroidis, condensés, évapurés ou maintenus à une température spécifique pour garantir le bon fonctionnement de tous les équipements. Les tubes d’échangeurs de chaleur rendent cela possible. On les trouve à l’intérieur des chaudières, condenseurs, centrales électriques, réfrigérateurs, raffineries de pétrole, usines chimiques, usines de transformation alimentaire, stations de désalinisation et appareils de chauffage, de ventilation et de climatisation, entre autres équipements.

Malgré la conception apparemment simple de tubes métalliques utilisés comme tubes d’échangeurs de chaleur, il s’agit de produits d’ingénierie complexes conçus pour un transfert de chaleur efficace dans des conditions extrêmes de charge mécanique, thermique et chimique.

Qu’est-ce qu’un tube d’échangeur de chaleur ?

Un tube d’échangeur de chaleur désigne essentiellement des tubes métalliques placés à l’intérieur d’un échangeur de chaleur qui tranfèrent la chaleur entre deux fluides séparés sans qu’ils se mélangent. En pratique, ces tubes sont indispensables pour le chauffage, le refroidissement, la condensation et diverses besoins de procédés industriels.

La tubulure est importante car elle détermine vraiment la qualité du transfert de chaleur, la gestion de la pression, la résistance à la corrosion et les performances générales de l’équipement. Choisir le bon tube contribue à la durabilité, à une meilleure efficacité énergétique et à un fonctionnement fiable sur la durée, en particulier dans des travaux industriels qui peuvent être assez exigeants.

Matériaux des tubes d’échangeurs de chaleur : lequel choisir ?

Le choix du matériau approprié pour les tubes d’échangeur de chaleur dépend principalement de la température de fonctionnement (qui est généralement le facteur décisif), ainsi que du niveau de corrosion subi, du type de fluide, de la configuration de pression et du type de maintenance réalisable. Différents matériaux offrent des comportements de durabilité, des aptitudes au transfert de chaleur et des caractéristiques de résistance chimique variés ; pour un usage industriel, on choisit donc une option plutôt qu’une autre en fonction de ce qui correspond le mieux au procédé.

Tableau: comparaison des matériaux de tubes d’échangeurs de chaleur

Dimensions et tailles standard

Les tubes d’échangeurs de chaleur sont fabriqués dans une gamme de dimensions et d’épaisseurs de paroi selon les limites de pression, la quantité de transfert de chaleur nécessaire et l’utilisation industrielle spécifique. Des organismes tels que TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) ainsi qu’ASME interviennent afin que le dimensionnement des tubes reste correct, et que la sécurité ainsi que la cohérence opérationnelle soient maintenues dans toutes les unités d’échangeurs de chaleur.

Tableau: dimensions courantes des tubes d’échangeurs de chaleur

Comment choisir la tubulure adaptée à votre application ?

Le choix des tubes d’échangeur de chaleur dépend de la température de fonctionnement, des conditions de pression et des besoins réels du système. Le matériau de la tubulure doit pouvoir supporter le niveau de chaleur requis et les exigences de pression, sans compromettre les performances du système ni la sécurité.

Par ailleurs, la résistance à la corrosion et la compatibilité avec les fluides ont une importance capitale. Différents liquides, produits chimiques et même des conditions environnementales changeantes peuvent affecter la durabilité des tubes, l’efficacité du transfert de chaleur et la fiabilité à long terme que l’on recherche habituellement dans les applications industrielles.

Il convient également de réfléchir à la maintenance et au nettoyage avant de choisir une conception ou un matériau de tube. Si le cas d’usage implique des inspections régulières ou des nettoyages fréquents, des configurations de tubulure facilitant l’accès peuvent s’avérer utiles et permettre de réduire les temps d’arrêt en pratique.

Encrassement et corrosion: comment protéger vos tubes

L’encrassement et la corrosion peuvent réduire considérablement l’efficacité du transfert de chaleur, augmenter la perte de charge et finir par raccourcir la durée de vie des tubes d’échangeur de chaleur. Avec les bons choix de matériaux, associés à un nettoyage régulier et à une surveillance de la qualité des fluides, il est possible de protéger les tubes et de maintenir le système en fonctionnement fiable.

Tableau: résistance à l’encrassement par type de fluide

Configurations à calandre et tubes expliquées

Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes sont essentiellement un faisceau de tubes placé à l’intérieur d’une calandre extérieure plus grande, de sorte que la chaleur peut se déplacer entre deux fluides séparés. En général, un fluide est poussé à travers les tubes, tandis que le second fluide circule autour des tubes, toujours à l’intérieur de cette calandre extérieure.

La façon dont le flux côté tubes rencontre la disposition du flux côté calandre peut fortement modifier l’efficacité du transfert de chaleur, la perte de charge, les besoins de maintenance et le comportement général du système. Choisir la bonne disposition ou la configuration appropriée contribue à améliorer le rendement thermique et soutient également un travail de chauffage et de refroidissement industriel fiable.

Comment fonctionnent les tubes d’échangeur de chaleur ?

Les tubes d’échangeur de chaleur fonctionnent sur la base de la thermodynamique fondamentale : la chaleur circule toujours d’une région plus chaude vers une région plus froide. Dans les échangeurs de chaleur, cette direction naturelle du flux de chaleur est délibérément contrôlée. La séquence de fonctionnement suit généralement ces étapes :

• Deux fluides à différentes températures entrent dans le système d’échangeur de chaleur.
• Un fluide circule à l’intérieur des tubes.
• L’autre fluide circule à l’extérieur des tubes ou à travers des canaux adjacents.
• La différence de température entraîne le déplacement de la chaleur à travers la paroi du tube.
• Le fluide plus froid absorbe la chaleur tandis que le fluide plus chaud en cède.
• Les deux fluides quittent l’échangeur à de nouvelles températures.

Le taux global de transfert de chaleur dépend de la conductivité thermique du matériau du tube, de la longueur des tubes, du nombre de tubes, de l’épaisseur de paroi, de la vitesse du fluide, des niveaux de turbulence et de la différence de température entre les fluides.

Trois modes de transfert de chaleur se produisent simultanément :

• Conduction à travers la paroi du tube
• Convection entre la surface du tube et les fluides en mouvement
• Rayonnement (généralement mineur, sauf en présence de températures extrêmement élevées)

De nombreux systèmes sont délibérément conçus pour favoriser la turbulence car l’écoulement turbulent augmente le brassage et le transfert de chaleur par rapport à l’écoulement laminaire. Le concepteur du système équilibre l’efficacité du transfert de chaleur avec une perte de charge acceptable, la résistance à l’encrassement, le coût des matériaux ainsi que la facilité de fabrication et de maintenance.

Types de tubes d’échangeurs de chaleur

Les tubes d’échangeurs de chaleur peuvent être classés de plusieurs façons : selon la conception de l’échangeur, la géométrie du tube ou le type de matériau. Voici les principales classifications utilisées en pratique.

Tubes d’échangeurs de chaleur à calandre et tubes

Il s’agit de la configuration la plus largement utilisée. Un faisceau de tubes est enfermé dans une calandre cylindrique. Un fluide circule à l’intérieur des tubes et le second fluide circule à l’extérieur, dans la calandre. Des chicanes sont souvent installées pour diriger l’écoulement et créer de la turbulence afin d’améliorer le transfert de chaleur.

Tubulure calandre et tubes

Elle est utilisée car elle supporte les hautes pressions, tolère les hautes températures, peut être facilement nettoyée ou remplacée, et permet de grandes surfaces de transfert de chaleur. C’est le choix standard dans les raffineries de pétrole, les centrales électriques, le traitement du gaz et l’industrie lourde.

Tubes en U pour échangeurs de chaleur

Les tubes en U sont pliés en forme de U courbé de sorte que les deux extrémités se raccordent à la même plaque tubulaire. L’avantage de ce type de tubulure est qu’il présente une excellente tolérance à la dilatation thermique, une conception compacte et qu’il convient aux grands gradients de température. Ils sont courants là où les températures de fonctionnement changent fréquemment ou là où il est nécessaire de minimiser les contraintes thermiques.

Tubes d’échangeurs de chaleur à ailettes

Le chauffage tubulaire à ailettes augmente la surface extérieure de la tubulure, améliorant le transfert de chaleur lorsque l’un des fluides est un gaz. On les trouve également en différents types: tubes à ailettes longitudinales, tubes à ailettes enroulées en hélice et tubes à ailettes dentelas. Ils sont largement utilisés dans les refroidisseurs d’air, les radiateurs et les unités de récupération de chaleur. Parce que les gaz tranfèrent la chaleur moins efficacement que les liquides, les ailettes créent une surface supplémentaire pour compenser.

Tubes d’échangeurs de chaleur à double tube

Ce type de tubulure implique deux tubes concentriques : le tube intérieur transporte un fluide et l’espace annulaire transporte le second fluide. Il est simple et robuste, tolère les hautes pressions et est généralement utilisé pour des charges thermiques plus faibles ou des fluides très visqueux.

Importance des tubes d’échangeurs de chaleur

Les tubes d’échangeurs de chaleur sont essentiels à l’industrie moderne pour plusieurs raisons:

• Efficacité énergétique : Un transfert de chaleur correct réduit le gaspillage d’énergie, la consommation de combustible et les coûts d’exploitation. Les industries utilisent la chaleur rejetée d’un procédé pour chauffer un autre flux plutôt que de la gaspiller.
• Sécurité des procédés : Le contrôle de la température prévient les réactions d’emballement thermique, le gel des conduites, la surpression causée par la vaporisation et la défaillance des équipements. Dans les secteurs critiques tels que la transformation chimique ou la production d’énergie, la sécurité de fonctionnement dépend directement du bon fonctionnement des échangeurs de chaleur.
• Qualité du produit : Le traçage thermique sert à maintenir la température de surface au-dessus du point de rosée ambiant pour prévenir la condensation sur les équipements. Dans de nombreux procédés, la température affecte directement les taux de réaction chimique, le comportement de cristallisation ou de polymérisation, la sécurité alimentaire et la stérilisation, ainsi que la pureté pharmaceutique.
• Impact environnemental : Un procédé de transfert de chaleur efficace permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre, l’utilisation d’eau de refroidissement, la consommation de combustible ainsi que le rejet de chaleur perdue. La récupération d’énergie par les échangeurs de chaleur est le pivot de la production industrielle durable.
• Fiabilité et longévité du système : De bons tubes d’échangeur de chaleur ne sont pas corrosifs et préviennent les problèmes de fuites et d’encrassement. Cela garantit qu’aucune installation ne soit arrêtée.

Où sont utilisés les tubes d’échangeurs de chaleur ?

Les tubes d’échangeurs de chaleur sont utilisés dans une très large gamme d’industries car presque tous les procédés industriels impliquent des fluides qui doivent être chauffés ou refroidis. Voici quelques-uns des principaux secteurs qui utilisent les tubes d’échangeurs de chaleur :

• Industrie pétrolière et gazière : Elle est fondamentale pour le chauffage du pétrole brut, la déshydratation du gaz naturel, les systèmes de fractionnement en raffinerie, la liquéfaction et la regâzification du GNL, ainsi que les systèmes de récupération de chaleur.
• Traitement chimique et pétrochimique : Ils sont utilisés dans cette industrie pour le contrôle de la température des réacteurs, les condenseurs et rebouilleurs de colonnes de distillation, les procédés de polymérisation et la production d’ammoniac et de méthanol, car les réactions dépendent fortement de la température et la corrosion due aux produits chimiques exige des matériaux résistants.
• Production d’énergie : Les tubes d’échangeurs de chaleur sont utilisés dans les condenseurs de vapeur, les réchauffeurs d’eau d’alimentation, les générateurs de vapeur nucléaires et les centrales géothermiques.
• CVC et réfrigération : Les tubes d’échangeurs de chaleur sont présents dans les refroidisseurs, les évaporateurs, les serpentins de climatisation et les pompes à chaleur.
• Transformation des aliments et des boissons : La tubulure est utilisée dans la pasteurisation du lait, le refroidissement des boissons, la stérilisation, le brassage et le refroidissement de la fermentation, car la température du produit affecte le goût, la sécurité et la durée de conservation.
• Désalinisation et systèmes marins : La tubulure est utilisée dans les évaporateurs de désalinisation de l’eau de mer, les refroidisseurs de moteurs marins et les réchauffeurs de saumure.
• Pharmaceutique et biotechnologie : Elle est utilisée pour les doubles enveloppes de réacteurs, les boucles de refroidissement de bioréacteurs, le chauffage de l’eau pour injection (WFI) et le refroidissement.

Problèmes courants et comment les détecter tôt

Avec le temps, les tubes d’échangeurs de chaleur peuvent commencer à présenter des problèmes de performance en raison de l’encrassement, de la corrosion, des fuites ou d’une efficacité de transfert de chaleur globalement réduite. Détecter ces problèmes tôt est important car cela aide à éviter les dommages aux équipements, le gaspillage d’énergie et ces coûteux temps d’arrêt système qui pènalisent les opérations industrielles.

L’encrassement des tubes provient souvent de dépôts de tartre, de boues ou de résidus à l’intérieur des tubes. On peut généralement le constater lorsque les débits diminuent légèrement, que la perte de charge commence à augmenter et que les performances de chauffage ou de refroidissement semblent plus faibles que prévu lors du fonctionnement normal.

La corrosion peut se manifester par de la rouille, une décoloration inhabituelle, un amincissement des parois du tube ou une contamination du fluide lui-même. De plus, les fuites et une chute soudaine de pression peuvent témoigner de tubes endommagés ou de joints défaillants. Lorsque l’efficacité du transfert de chaleur ne cesse de baisser, cela est généralement lié à des voies d’écoulement bloquées, à l’encrassement ou à une dégradation des matériaux se produisant quelque part dans l’ensemble de l’échangeur de chaleur.

Conclusion

Les tubes d’échangeurs de chaleur peuvent sembler ne pas être plus complexes dans leur conception qu’un assortiment de tubes métalliques regroupés en faisceaux, mais ils constituent en réalité l’un des éléments les plus essentiels utilisés dans toutes les opérations liées à de nombreux types d’industries. La production d’énergie, la production chimique, la réfrigération, le raffinage du pétrole, la transformation des aliments, la désalinisation et bien d’autres industries sont soutenues par le transfert de chaleur contrôlé, efficace et sûr entre les fluides, ce qui le rend possible.

La chaleur peut être transférée de manière sûre et efficace d’un fluide à un autre grâce à cette technologie. Un tube d’échangeur de chaleur est essentiellement un séparateur de fluides qui permet à la chaleur de se déplacer entre les fluides séparés tout en résistant à la pression, à la température, à la corrosion et aux vibrations. Il est conçu avec des matériaux et des formes optimisés pour le transfert de chaleur qui favorisent la durabilité et l’efficacité énergétique. Il garantit la dépendabilité des procédés, la qualité des produits et la sécurité.

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