Chapitre 12. LES ECHANGEURS DE CHALEUR Parmi les nombreux modes de conversion d’énergie, celui qui consiste à transférer de la chaleur d’un fluide « chaud » à un fluide « froid » se réalise dans des appareils appelés échangeurs thermiques. On distingue plusieurs types d’échangeurs thermiques selon que leur fonctionnement est continu ou discontinu, ou encore selon que les fluides qui échangent de la chaleur sont séparés par une paroi ou, au contraire, mis en contact direct. Un autre élément de classification se rapporte au changement de phase éventuel de l’un des deux fluides : on parlera • de réchauffeurs ou refroidisseurs en l’absence de changement de phase, et • d’évaporateurs, générateurs de vapeur, bouilleurs ou condenseurs si l’objectif

poursuivi est la vaporisation, l’ébullition ou la condensation de l’un des deux fluides. D’autres dénominations mettent encore en évidence l’objectif principal de la conversion d’énergie ; c’est ainsi par exemple que l’on appelle récupérateurs, préchauffeurs, ou économiseurs des appareils qui permettent de récupérer de l’énergie thermique, notamment au bénéfice d’un préchauffage. Les mots surchauffeurs, désurchauffeurs constituent d’autres exemples de dénominations particulières. Pour illustrer le sujet et permettre une première familiarisation des étudiants avec ces appareils très couramment répandus, nous avons inséré quelques éléments usuels de la technologie des échangeurs thermiques à la fin de ce chapitre. Ils en constituent les deux derniers paragraphes. Nous consacrons l’essentiel de ce chapitre au cas des appareils à fonctionnement continu et pour lesquels l’échange a lieu à travers une paroi. Dans les quatre premiers paragraphes, on examine successivement les trois sortes d’échangeurs de ce type : selon les sens de circulation des deux fluides le long de la paroi d’échange, on distingue en effet les échangeurs à co-courants (ou courants parallèles), les échangeurs à contre-courants, et enfin les échangeurs à épingles et à courants croisés. Pour les deux premières catégories d’appareils, la circulation des fluides est organisée d’une façon suffisamment simple pour correspondre à une formulation aisée des problèmes que pose leur calcul. Celui-ci porte sur les profils de température le long de la paroi et sur l’aire de celle-ci. Au troisième paragraphe, on vérifie l’application d’une formule simple et universellement connue, dite formule de HAUSBRAND, et l’on en propose une adaptation pour le cas des échangeurs à épingles ou à courants croisés. A côté des calculs thermiques présentés dans ce chapitre, il ne faut pas oublier les calculs d’écoulements, notamment de pertes de charge, qui déterminent la puissance nécessaire à la circulation des deux fluides.

1. Les échangeurs de chaleur à co-courants (courants parallèles) Le problème à étudier est celui de la transmission calorifique d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi qui les sépare, à laquelle on a donné le nom de surface de chauffe ou surface d’échange. Le fluide chauffant et le fluide chauffé circulent le long de chaque

MECA2855 2003 12.2

face de la paroi dans le même sens : c’est cette disposition que l’on a coutume de désigner par « co-courants ».

Désignons respectivement par xM et 0M les débits massiques des fluides chauffant et chauffé le long de la surface de chauffe, par Tx la température du fluide chauffant et par T0 la température du fluide chauffé. Les indices 1 et 2 se rapportent respectivement à l’entrée et à la sortie des fluides dans l’échangeur.

Les écarts entre T1x et T2

x d’une part, et entre T10 et T2

0 d’autre part, sont en pratique suffisamment faibles pour que les chaleurs massiques cx et c0 puissent être considérées comme constantes.

On considérera également comme constant le coefficient de transmission total à travers la paroi et l’on supposera nulle toute perte calorifique extérieure, ne retenant pour le moment que la communication thermique entre les deux fluides. Nous montrerons plus loin comment on tient compte en pratique de ces pertes.

Figure 12. 1. Echangeur à co-courants.

La puissance calorifique dQ échangée à travers un élément de surface dS est :

0 0 0 0( )x x x xdQ M c dT M c dT U T T dS= − = = − (12.1)

Les signes se justifient par le fait que pour dS >0, on aura dTx <0 et dT0 >0. Nous appellerons débit de capacité calorifique d’un fluide le produit Mc de ce fluide. Par intégration entre S=0 et la surface totale S=St, ces équations conduisent à la relation :

02 2

01 1

0 0 0x

x

T Tx x x

T TQ M c dT M c dT= − =∫ ∫

c’est-à-dire : 0 0 0 0

1 2 2 1( ) ( )x x x xQ M c T T M c T T= − = − (12.2)

et permettent en outre d’écrire successivement :

MECA2855 2003 12.3

0 0

0

0 0 0 0

( ) ( )1 1 1 1

x xx

x x x x

dT dT d T TdQ U T T dS

M c M c M c M c

− − −= = = = −+

(12.1’)

0

1 10 0 0

2 2

1 1ln ( )x

tx x xT T U ST T M c M c

− = +−

(12.3)

ou 0 01 10 ( )

1 10

2 2

t x xx U S

M c M cx

T T eT T

+− =−

Posons : 20 0

1 1x xa

M c M c+

Les équations (12.2) et (12.3) permettent de résoudre les deux principaux problèmes d’échangeurs du type envisagé : a. Projet d’un échangeur : connaissant 0 0 0

1 1, , , , ,etx x xM c T M c T ainsi que 02 2ou ,xT T on calcule :

- 02T et 2

xT , au moyen de l’équation (12.2) - tS , l’aire de la surface d’échange au moyen de l’équation (12.3). b. Analyse du fonctionnement d’un échangeur : connaissant 0 0 0

1 1, , , , ,etx x xM c T M c T ainsi que tS , on calcule : - 0

2 2et ,xT T par la résolution simultanée des équations (12.2) et (12.3).

Les mêmes équations permettent de trouver l’expression des profils longitudinaux de températures :

( )x xT f S= et 0 0 ( )T f S= On a en effet : 0 0 0 0

1 1( ) ( )x x x xM c T T M c T T− = − (12.4) et

0

21 10 exp( )

x

xT T a U ST T

− =−

(12.5)

On en déduit :

0 0 0

0 0 21 11 10 0 0 0 ( ) exp( )

x x x x xx

x x x xM c T M c T M cT T T a U S

M c M c M c M c+= − − −+ +

(12.6)

0 0 0 0 0

0 21 11 10 0 0 0 ( ) exp( )

x x xx x

x x x xM c T M c T M cT T T a U S

M c M c M c M c+= + − −+ +

(12.7)

Posons : 0 0 0

1 10 0

x x x

x xM c T M c TT

M c M c∞++

Les équations (12.6) et (12.7) sont du type : 0 2 2

12 22

exp( )

exp( )x

T T b a U S

T T b a U S∞

∞

= − −

= + −

MECA2855 2003 12.4

On reconnaît facilement que ces expressions sont celles des courbes exponentielles représentées à la figure 12.1. Ces courbes ont une asymptote commune :

0lim lim x

S ST T T∞→∞ →∞

= =

On note que la température T∞ est la moyenne pondérée de 01 1et xT T que l’on obtiendrait

si l’on mélangeait les deux fluides suivant les débits 0 et xM M . On remarque enfin que dans ce type d’échangeur l’écart de température 0( )xT T− varie fortement le long de la surface d’échange : le flux de chaleur est grand près de l’entrée, et petit près de la sortie. Si l’on désire introduire les pertes calorifiques vers l’extérieur, appelées pertes par rayonnement de l’échangeur, on les impute au fluide chauffant en considérant qu’elles représentent la fraction r de la puissance (flux d’énergie) qu’il cède. L’équation (12.1) s’écrit alors : 0 0 0 0(1 ) ( )x x x xdQ r M c dT M c dT U T T dS= − − = = − (12.8)

et dans tous les calculs effectués ci-dessus, le terme x xM c doit être multiplié par (1-r). On appelle encore rendement de l’échangeur l’expression :

1 .rη = −

Un cas particulier important à envisager est celui où l’un des fluides reste à température constante parce qu’il se vaporise ou se condense. Supposons d’abord que ce soit le fluide chauffé (évaporateur) :

0 0 01 2T T T= =

Dans ce cas, en négligeant les pertes par rayonnement, on a : 0( )x x x xdQ M c dT U T T dS= − = −

d’où 1 2( )x x x xQ M c T T= −

et 0

0 0( )x x

x x x xdT d T T U dS

T T T T M c−= = −

− −

ce qui donne :

0

01

exp ( )x

x x xT T U ST T M c

− = −−

(12.9)

L’équation (12.9) est celle de l’exponentielle représentée à la figure 12.2(a). Ce résultat est évidemment indépendant du sens de la circulation du fluide qui subit le changement de phase.

Si c’est, par contre, le fluide chauffant qui est à température constante (condenseur), on a :

1 2x x xT T T= =

Dans ce cas, il vient : 0 0 0 0( )xdQ M c dT U T T dS= = −

d’où 0 0 0 0

2 1( )Q M c T T= −

MECA2855 2003 12.5

Figure 12. 2. (a) Evaporateur (b) Condenseur

et 0 0

0 0 0 0( )x

x xdT d T T U dS

T T T T M c− −= =

− −

ce qui donne :

0

0 0 01

exp ( )x

xT T U ST T M c

− = −−

(12.10)

L’équation (12.10) est celle de l’exponentielle représentée à la figure 12.2(b). Ici encore, le résultat est indépendant du sens de la circulation du fluide qui subit le changement de phase.

2. Les échangeurs à contre-courants Dans ces échangeurs de chaleur, les deux fluides entre lesquels a lieu la transmission calorifique circulent en sens inverses le long de la surface de chauffe : le fluide chauffant entre en contact avec la surface là où le fluide chauffé abandonne celle-ci et vice versa. Considérons l’échange dQ de puissance calorifique à travers un élément dS de surface d’échange ; celle-ci sera comptée positivement dans le sens de circulation du fluide chauffant. Il vient (pour les signes, voir la figure 12.3) :

0 0 0 0( )x x x xdQ M c dT M c dT U T T dS= − = − = − (12.11)

Notons bien que l’on a 0xdT < et 0 0dT < dans le sens 0dS > . En intégrant ces relations, on trouve : 0 0 0 0

1 2 2 1( ) ( )x x x xQ M c T T M c T T= − = − (12.12) De plus, on a :

0 0

0

0 0 0 0

( ) ( )1 1 1 1

x xx

x x x x

dT dT d T TdQ U T T dS

M c M c M c M c

− − − −= = = = −−

(12.11’)

0

1 20 0 0

2 1

1 1( )x

tx x xT TLn U ST T M c M c

− = −−

(12.13)

ou : 0 0

1 10 ( )1 2

02 1

tx xx US

M c M cx

T T eT T

−− =−

MECA2855 2003 12.6

Posons : 0 01 1x xm

M c M c−

Les équations (12.12) et (12.13) permettent de résoudre les deux principaux problèmes d’échangeurs indiqués au paragraphe 12.1. Les mêmes équations permettent de trouver l’expression des profils longitudinaux de température :

( )x xT f S= et 0 0 ( )T f S= On a en effet : 0 0 0 0

1 2( ) ( )x x x xM c T T M c T T− = − (12.14) et

0

1 20 exp( )

x

xT T m U ST T

− =−

(12.15)

On en déduit :

0 0 0

0 02 11 20 0 0 0 ( ) exp( )

x x x x xx

x x x xM c T M c T M cT T T m U S

M c M c M c M c−= + − −− −

(12.16)

et

0 0 0 0 0

02 11 20 0 0 0 ( ) exp( )

x x xx x

x x x xM c T M c T M cT T T m U S

M c M c M c M c−= + − −− −

(12.17)

Posons : 0 0 0

02 11 1 20 0 0 0

0 00

2 1 20 0

, ( )

( )

x x x x xx

x x x x

xx x

M c T M c T M cT b T TM c M c M c M c

M cb T TM c M c

∞− −− −

= −−

L’allure des profils de températures dépend notamment du signe de m. A ce sujet, il y a lieu de considérer trois cas : 1er cas : 0m > , c’est-à-dire 0 0 x xM c M c> , le débit de capacité calorifique du fluide chauffé

est supérieur à celui du fluide chauffant. On a donc m m= , et comme la température de sortie du fluide chauffé est nécessairement inférieure à la température d’entrée du fluide chauffant 0

2 1( )xT T< , il vient :

1 1 2 2,b b b b= =

et les relations (12.16) et (12.17) sont du type :

01

mUST T b e−∞= + (12.18)

2m USxT T b e−

∞= + (12.19)

Elles correspondent aux courbes de la figure 12.3 (a). On observera que : 0lim lim x

S ST T T∞→∞ →∞

= =

La température de sortie du fluide chauffant tend vers celle d’entrée du fluide chauffé qui a le plus grand débit de capacité calorifique ; on remarquera que l’écart de température en

0S = est plus grand qu’en tS S= ; on notera : 0 0

1 2 2 1x x

g pT T T T T T∆ − ∆ −

MECA2855 2003 12.7

Il vient : g pT T∆ > ∆

car il résulte de l’équation (12.12) et de la condition 0m > que l’on a : 0 0

1 2 2 1x xT T T T− > −

ou encore : 0 0

1 2 2 1x xT T T T− > −

2ème cas : 0m < , c’est-à-dire 0 0 x xM c M c< , le débit de capacité calorifique du fluide

chauffant est supérieur à celui du fluide chauffé. On a alors :

1 1 2 2etm m b b b b= − = − = −

Les relations (12.16) et (12.17) sont ici du type :

01

m UST T b e∞= − (12.20)

2m USxT T b e∞= − (12.21)

Elles correspondent aux courbes de la figure 12.3 (b). On observera que : 0lim lim x

S ST T T∞→−∞ →−∞

= =

La température de sortie du fluide chauffé tend vers la température d’entrée du fluide chauffant qui a le plus grand débit de capacité calorifique.

Figure 12. 3. Echangeurs à contre-courant.

On remarquera que l’écart de température en 0S = est plus petit qu’en tS S= ; ici on notera :

0 02 1 1 2x x

g pT T T T T T∆ − ∆ − 3ème cas : 0m = , c’est-à-dire 0 0 x xM c M c Mc= = , les débits de capacités calorifiques des

deux fluides sont égaux. On a alors : 0 0( )x xdQ McdT McdT U T T dS= − = − = −

ou 0 0( ) 0x xdT dT d T T= − = il vient : 0 0 0

1 2 2 1 const.x x xmT T T T T T T∆ = − = − = − = (12.22)

MECA2855 2003 12.8

Les profils de températures sont linéaires, car on peut écrire :

0 ( )xm

UdT dT T dSMc

= = − ∆

Le diagramme de la figure 12.3 (c) illustre ce cas.

3. Formule de Hausbrand1

On constate que dans les échangeurs à contre-courant, l’écart de température (Tx –T0) est plus uniforme que dans les échangeurs à co-courants. De plus, la température de sortie du fluide chauffé peut être supérieure à la température de sortie du fluide chauffant, ce qui n’est pas le cas pour les échangeurs du type précédent. Par ailleurs, pour chacun des cas, il est possible de déterminer la surface d’échange par une formule unique, appelée formule de HAUSBRAND :

m

QSU T

=∆

(12.23)

où mT∆ désigne la différence de température logarithmique moyenne :

ln

g pm

g

p

T TT T

T

∆ − ∆∆ ∆

∆

Dans cette expression, l’indice g signifie « grand » et l’indice p « petit ».

On peut vérifier que la formule de HAUSBRAND est aussi satisfaite dans le cas où 0m = , c’est-à-dire 0 / 0.mT∆ = Il suffit d’appliquer la règle de L’HOSPITAL pour lever l’indétermination.

Dans le cas de tubes, le choix de la surface (intérieure ou extérieure) dépend du problème posé. Rappelons que l’on a :

i i e eUA U S U S= = .

4. Echangeurs à épingles et à courants croisés Pour rendre les échangeurs plus compacts, on a recours à diverses dispositions spatiales telles que celles indiquées à la figure 12.4. Pour calculer la surface d’échange, on a encore recours à la formule de HAUSBRAND (12.23), mais corrigée d’un facteur empirique F donné par les diagrammes de BOWMAN, MUELLER et NAGEL (1940) de la figure 12.4 :

m

QSF U T

=∆

mT∆ est toujours déterminé comme pour l’écoulement à contre-courant. Le facteur correctif F est donné en fonction de deux paramètres Y et Z définis sur la figure.

1 Hausbrand E., Evaporation, condensation et refroidissement, Septième édition complètement mise à jour

par M.Hirsch, traduit par G.König, Librairie Polytechnique Ch.Béranger, Paris et Liège, 1932.

MECA2855 2003 12.9

Figure 12.4 Echangeurs à épingles et à courants croisés.

5. Aspects technologiques On peut classer les échangeurs de différentes façons rappelées dans l’introduction de ce chapitre. On passe sommairement en revue ci-dessous les différents types d’échangeurs, en les illustrant par des figures.

5.1. Echangeurs à fonctionnement non continu 1. Echangeurs à contact direct

Il s’agit d’appareils où l’échange calorifique s’obtient par mélange de deux fluides. Le réchauffage d’un liquide peut être réalisé en y injectant de la vapeur, généralement de la vapeur d’eau. Cette méthode n’est applicable que si la condensation de la vapeur n’entraîne pas d’inconvénient pour le liquide. Ce procédé peut être utilisé, par exemple, pour la préparation d’eau chaude, ou pour permettre le déroulement d’une réaction chimique nécessitant une température élevée (cuiseurs). L’appareil est représenté de manière schématique à la figure 12.5.

Figure 12. 5. Echangeur à

contact direct.

MECA2855 2003 12.10

Les réactifs sont introduits au-dessus et la vidange se fait par le bas. La vapeur peut être distribuée par un serpentin perforé logé généralement dans le bas de la cuve. 2. Echangeurs à contact indirect

Il s’agit des échangeurs à cuve dans lesquels le liquide est progressivement réchauffé ou refroidi avant d’être évacué de la cuve. Il existe différents procédés :

- chauffage électrique (boilers, encore que ceux-ci peuvent fonctionner en régime continu),

- serpentin immergé dans la cuve dans lequel circule le fluide chauffant ou réfrigérant (fig.12.6),

- cuve à double fond (fig.12.7). Dans chacun de ces procédés, il convient d’agiter le fluide afin d’obtenir une répartition uniforme de la température.

Figure 12. 6. Echangeur à contact Figure 12. 7. Echangeur à contact direct : serpentin immergé. indirect : cuve à double fond.

5.2. Echangeurs à fonctionnement continu et à contact indirect Dans ces échangeurs, les deux fluides circulent sans arrêt, leurs températures variant d’un point à l’autre des appareils.

1. Echangeurs à « tubes concentriques »

Ces appareils, de conception très simple, sont constitués de deux tubes concentriques comme représenté à la figure 12.8.

Figure 12. 8. Echangeur à tubes concentriques

Un des deux fluides circule à l’intérieur du tube central, l’autre dans la partie annulaire. L’échangeur peut être soit du type co-courant, soit du type contre-courant.

MECA2855 2003 12.11

Généralement, on fera circuler à l’intérieur du tube central - le fluide le plus sale (nettoyage aisé) - le fluide sous pression - le fluide corrosif.

2. Echangeurs à faisceau et calandre

L’échangeur à faisceau et calandre est l’échangeur le plus fréquemment utilisé dans l’industrie. La surface de transfert thermique est constituée d’un ensemble de tubes dans lesquels circule un des deux fluides. Les extrémités de chaque tube sont fixées par frettage, soudage ou mandrinage dans les plaques de tête. A l’intérieur de l’échangeur, les tubes sont maintenus en position par des supports qui peuvent servir de chicanes. La figure 12.9 présente cet échangeur dans sa version simple (têtes fixes).

Figure 12. 9. Echangeur à faisceau et calandre.

Etant donné qu’on ne peut démonter le faisceau de tubes, cette construction n’est acceptable que dans les cas où le fluide circulant autour des tubes ne produit pas d’encrassement de la surface extérieure des tubes. Les différences de températures existant entre les tubes et le corps de l’échangeur peuvent produire des contraintes thermiques élevées. Lorsqu’on est en présence de ce cas, il faut permettre aux tubes fixés dans les plaques tubulaires et l’enveloppe de se dilater indépendamment les uns des autres. On utilise alors des échangeurs à tête flottante comme représenté à la figure 12.10. Dans ce cas, l’échangeur est généralement à deux passes.

Une autre possibilité permettant des dilatations indépendantes du corps de l’échangeur et du faisceau de tubes est l’utilisation de tubes en forme de U (fig.12.11).

L’inconvénient majeur de ce type d’échangeur réside dans la difficulté de nettoyer intérieurement les tubes par suite de leur courbure.

MECA2855 2003 12.12

Figure 12. 10. Echangeur à faisceau et tête flottante.

Figure 12. 11. Echangeur à faisceau de tubes en U. La figure 12.12 montre quelques dispositions de tubes dans un faisceau : (a) alignés avec un pas carré (b) disposés en quinconce avec un pas carré (c) et (d) disposés en quinconce avec un pas triangulaire.

MECA2855 2003 12.13

Des chicanes sont insérées dans le faisceau afin d’augmenter les vitesses d’écoulement et la turbulence autour des tubes.

Figure 12. 12. Faisceaux de tubes.

La figure 12.13 montre trois types de chicanes. Les chicanes constituent un mode de fixation utilisé lorsque les tubes peuvent être remplacés individuellement, et à ce titre, elles peuvent être soumises à des forces importantes lorsqu’on procède au démontage. Elles doivent donc avoir une épaisseur adéquate. Il faut de plus laisser un espace suffisant entre les chicanes pour faciliter les opérations de nettoyage.

Figure 12. 13. Faisceau à chicanes.

MECA2855 2003 12.14

3. Echangeurs à spirales Ils sont constitués de deux bandes en tôle généralement en acier inoxydable qui s’enlacent en spirale de façon à former deux passages concentriques (fig. 12.14). Le fluide chaud pénètre par le centre et sort à la périphérie tandis que le fluide froid pénètre par la périphérie et sort au centre. L’échange thermique est ainsi réalisé à contre-courant. On distingue trois types d’échangeurs à spirales (fig. 12.15) : (1) échange entre deux liquides ; le soudage des extrémités opposées des canaux supprime tout danger de mélange des liquides ; (2) condenseur à courants croisés ; le canal d’eau fermé par soudure aux deux extrémités et laissant le canal de vapeur entièrement ouvert, permet le passage de la vapeur à travers le corps spirale ; (3) condenseur pour vapeur.

Figure 12. 15. Echangeurs à spirales.

L’avantage de ce type d’échangeurs réside dans son encombrement réduit. On l’utilise dans l’industrie chimique (acide nitrique, acide sulfurique, …), dans l’industrie de la cellulose, dans l’industrie textile (récupération de la chaleur des bains de teinture …). 4. Echangeur à lamelles Ce type d’échangeurs peut être considéré comme une variante de l’échangeur à faisceau, les directions d’écoulement des deux fluides étant strictement parallèles. Précisons qu’une des deux extrémités est flottante (fig. 12.16).

Figure 12. 5. Echangeurs à lamelles

Figure 12. 14. Echangeur à

spirales.

MECA2855 2003 12.15

5. Echangeurs à plaques Un échangeur à plaques est composé d’un nombre variable de plaques cannelées munies de joints, serrées entre un bâti fixe et un plateau mobile de serrage au moyen de tirants (fig. 12.17).

Figure 12. 17. Echangeur à plaques.

Les plaques cannelées et le plateau de serrage sont suspendus à la barre centrale et guidés par la barre inférieure. Des orifices percés dans les coins des plaques sont disposés de façon que les deux fluides assurant l’échange thermique circulent alternativement dans les espaces inter plaques (fig. 12.17 à 12.19). Les plaques sont cannelées d’une part pour améliorer la rigidité et d’autre part pour accroître la turbulence, ce qui a un effet bénéfique sur l’échange thermique.

Figure 12. 19. Plaque de connexion.

Figure 12. 18. Echangeur à plaques.

MECA2855 2003 12.16

6. Echangeurs compacts Dans les échangeurs à faisceaux tubulaires conventionnels, un fluide circule à l’intérieur des tubes et un autre le long des tubes, animé d’une vitesse qui dépend de la disposition des chicanes. La surface de transfert est donc constituée uniquement par la surface extérieure des tubes. Si l’on a besoin d’appareils présentant la plus grande surface d’échange possible sous un volume réduit, une surface additionnelle est obtenue par l’emploi d’ailettes présentant une très petite section transversale et fixées en bon contact thermique sur les tubes (fig.12.20).

Figure 12. 20. Tubes à ailettes.

Il existe plusieurs procédés de fixation des ailettes sur les tubes. La figure 12.21 montre une ailette en I. L’enroulement est réalisé sous tension et sur champ du ruban. C’est l’ailettage le plus simple mais le contact ailette/tube n’est obtenu que par la seule tension du ruban. A la figure 12.22, l’enroulement est toujours exécuté sous tension, mais avec un ruban préalablement formé en L. Figure 12. 6. Ailettes en I. Figure 12. 7. Ailettes en L. Figure 12.21. Ailettes en I. Figure 12.22. Ailettes en L. L’assise de base de l’ailette est plus importante et forme une gaine continue qui protège le tube. malgré l’assise élargie par rapport au modèle précédent, le contact ailette/tube reste lisse. Le contact ailette/tube est amélioré en utilisant un ruban préalablement moleté (fig. 12.23). A la figure 12.24, le ruban est inséré et serti dans une rainure hélicoïdale pratiquée dans le tube. Figure 12. 23. Figure 12. 24.

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La figure 12.25 montre des ailettes soudées utilisées dans les générateurs de vapeur et les chaudières de récupération. Pour des raisons évidentes de coefficient de convection et de pertes de charge, le fluide circulant du côté des ailettes doit être un gaz. On peut encore citer les échangeurs à plaques ailettées (fig. 12.26). Dans ce cas, la surface d’échange primaire se compose de plans parallèles reliés aux ailettes. Les passages alternés sont reliés en parallèle par des distributeurs appropriés. La figure 12.27 montre un autre type d’échangeur compact constitué de plusieurs tubes brasés dans un ensemble d’ailettes.

Figure 12. 26. Echangeur à plaques ailettées. Figure 12. 27. Echangeur à plaques à tubes brasés. 6. Evaporateurs et condenseurs

6.1. Evaporateurs Les évaporateurs sont principalement utilisés dans l’industrie chimique afin d’obtenir des solutions concentrées. Dans la majorité des cas, l’opération unitaire d’évaporation consiste à réduire la quantité d’eau d’une solution aqueuse. Citons quelques exemples typiques : concentration d’une solution aqueuse de sucre, d’hydroxyde de sodium, de colle, de lait, de jus d’orange … Dans ces opérations, la solution concentrée est le produit désiré, l’eau évaporée n’ayant plus aucun intérêt. Ce n’est toutefois pas toujours le cas, par exemple pour le dessalement d’eau de mer. Ici, l’apport de chaleur est généralement obtenu par la condensation de vapeur d’eau ; il s’agit donc d’échangeurs où les deux fluides sont à température constante. On en distingue différents types. 1. Evaporateur à faisceau tubulaire horizontal

Ce type d’échangeur est largement utilisé. Il est constitué d’un cylindre vertical fermé par des fonds bombés (fig. 12.28). Le faisceau tubulaire est logé dans la partie inférieure et se termine par deux boîtes. La vapeur d’eau est amenée à une des boîtes, traverse les tubes et s’y condense. Les tubes doivent être constamment noyés dans la solution liquide pour éviter la caléfaction (angl. « burn out »). La vapeur quitte la cuve par son sommet après avoir traversé un ensemble de chicanes évitant l’entraînement de gouttelettes liquides.

Figure 12. 25. Ailettes soudées.

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2. Evaporateur à faisceau tubulaire vertical

Dans cette configuration, la solution circule dans les tubes et la vapeur d’eau se condense dans la chambre entourant les tubes. Une circulation naturelle s’installe dans les tubes de sorte que le liquide en ébullition jaillit des tubes et retourne au fond de l’évaporateur par un large canal prévu au centre du faisceau (fig. 12.29). 3. Evaporateur à faisceau panier

Il diffère du type précédent par le fait que le canal de retour, au lieu d’être central, est annulaire et situé contre la paroi du corps cylindrique (fig. 12.30).

4. Evaporateur vertical à longs tubes ou évaporateur KESTNER

La solution circule dans des tubes d’une longueur comprise entre 3 et 10 m (fig. 12.33). Les tubes sont chauffés extérieurement par la vapeur. La solution est vaporisée dans les tubes, ce qui engendre un effet de pompage qui permet d’obtenir une grande vitesse d’écoulement favorisant l’échange calorifique. La vapeur s’échappant du cylindre traverse un séparateur. Signalons que ce type d’évaporateur est souvent utilisé pour la production de lait condensé.

Figure 12.31. Evaporateur KESTNER.

Figure 12. 29. Evaporateur à faisceau vertical.

Figure 12.30. Evaporateur à faisceau panier.

Figure 12. 28. Evaporateur à

faisceau horizontal.

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5. Evaporateur à circulation forcée

La circulation de la solution dans l’évaporateur précédent peut être améliorée par l’emploi d’une pompe centrifuge (fig. 12.32). La circulation forcée est intéressante dans le cas de solutions incrustantes ou formant des cristaux, car la grande vitesse réalisée empêche les dépôts de se former sur la surface de chauffe.

Figure 12.32. Evaporateur à

circulation forcée.

La concentration d’une solution peut s’effectuer en un ou plusieurs étages comme illustré aux figures 12.33 à 12.35.

Figure 12. 33. Evaporateur.

Figure 12.34. Evaporateur à trois effets.

Figure 12. 35. Evaporateur à trois effets.

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6.2. Condenseurs Le rôle de ces appareils est de condenser la vapeur pour maintenir sous vide une partie de l’installation où cette vapeur est produite. Les dispositions constructives sont identiques à celles des échangeurs à faisceau (fig. 12.36). Il existe aussi des condenseurs à contact direct (fig. 12.37).

Figure 12. 36. Condenseur.

Figure 12. 37. Condenseur à contact direct.