Échangeur de chaleur à coque et à tube: appareil, objectif et caractéristiques de l'appareil

L'échangeur de chaleur à coque et à tube est un type de dispositifs de génie thermique et remplit la fonction de transfert de chaleur du liquide de refroidissement à la substance chauffée. Selon le cas spécifique, le rôle du liquide de refroidissement peut être de la vapeur ou du liquide. À ce jour, le modèle à coque et à tube de l'appareil de chauffage a reçu l'utilisation la plus répandue.

Un échangeur de chaleur est un appareil assez complexe utilisé comme condenseur, chauffage ou évaporateur

Domaines d'utilisation

La production de ces appareils a commencé au début du XXe siècle. Cela était dû au fait que les centrales thermiques avaient besoin de chauffages à grande surface fonctionnant à haute pression.

Les réchauffeurs à coque et à tube sont utilisés dans de nombreuses industries, notamment:

• Industrie du pétrole et du gaz;
• production chimique;
• industrie alimentaire.

Presque chaque production est associée à la production ou à l'absorption de chaleur, par conséquent, les échangeurs de chaleur sont en demande dans divers domaines de l'activité humaine. La performance des équipements dans les entreprises, ainsi que le fonctionnement des climatiseurs et radiateurs domestiques, des radiateurs de refroidissement dans les voitures, etc., dépendent de leur conception et de leurs propriétés.

Remarque! Les réchauffeurs de ce type sont le plus souvent utilisés pour refroidir les fluides de travail et chauffer le réfrigérant pour le fonctionnement des pompes à chaleur.

Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont largement utilisés comme condenseurs et évaporateurs. Aujourd'hui, grâce au développement des technologies industrielles, la conception des échangeurs de chaleur est devenue plus avancée et continue de se moderniser.

Avantages et inconvénients des échangeurs de chaleur à coque et à tube

D'un point de vue structurel, les échangeurs de chaleur de ce type sont similaires aux premiers modèles produits au début du XXe siècle. La modernisation de ces appareils n'a affecté que certains éléments, mais la base est restée inchangée. Les matériaux modernes utilisés pour les radiateurs à coque et à tubes peuvent améliorer leurs propriétés opérationnelles.

Dans la fabrication des échangeurs de chaleur, des matériaux modernes sont utilisés qui améliorent considérablement la qualité des appareils finis

Les échangeurs de chaleur à coque et à tube se distinguent par un certain nombre de qualités positives, qui leur permettent de rester à ce jour des éléments indispensables de diverses industries:

• résistance aux coups de bélier dans le système;
• la capacité de travailler avec des environnements pollués;
• faibles taux de transfert de chaleur;
• bonne performance;
• résistance à l'usure;
• maintenabilité;
• résistance à haute pression;
• résistance aux produits chimiques agressifs;
• sécurité d'exploitation;
• fiabilité et durabilité.

Les radiateurs de ce type ont leurs inconvénients, notamment:

• dimensions assez grandes;
• prix élevé.

L'appareil et le principe de fonctionnement

L'échangeur de chaleur à coque et à tube comprend plusieurs éléments structurels. Considérez les principaux:

• boîtier (logement);
• chambres de distribution et de guidage;
• système de tube interne;
• plaques tubulaires;
• cloisons et joints.

Ce modèle d'appareil se distingue par la présence d'un boîtier qui cache les tuyaux internes, d'où le nom - «shell-and-tube»

Deux buses sont soudées au corps. L'un d'eux est responsable de la fourniture de l'environnement de travail et l'autre de la conclusion. Des brides spéciales sont soudées aux extrémités du boîtier.

De plus, la structure d'un tel radiateur comprend des plaques tubulaires, entre lesquelles sont soudées des canalisations, équipées de grilles déportées. Cette conception forme le système de tuyaux du récupérateur et permet au réchauffeur d'être multi-passes.

Deux buses sont insérées dans le fond du récupérateur, qui, de la même manière que les buses du boîtier, remplissent les fonctions d'entrée et de sortie. Le fond du récupérateur est équipé de brides. Les brides de récupération sont des brides de raccordement du boîtier. Le système de tuyaux d'un tel dispositif est inséré dans le boîtier. Les grilles sont fixées à l'aide d'éléments d'étanchéité spéciaux et de boulons entre les brides du récupérateur et le boîtier. Cela permet, si nécessaire, de réparer de manière transparente n'importe quel élément du dispositif à coque et tube.

Le principe de fonctionnement de ce type de chauffage est le suivant: le fluide chaud et le fluide froid circulent à travers deux canaux différents. Le processus de transfert de chaleur est effectué entre les parois de ces canaux.

Types d'échangeurs de chaleur à coque et à tube

L'appareil de chauffage à coque et à tube est assez complexe, d'un point de vue structurel, l'appareil et a plusieurs variétés qui méritent une attention particulière. En raison des caractéristiques de conception (présence d'un récupérateur), les appareils à coque et à tube sont classés comme de type régénératif.

Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont un type régénératif d'appareils similaires.

De plus, en fonction du sens de déplacement des fluides de travail, les éléments chauffants à coque et à tube sont divisés selon les types suivants:

• flux direct;
• flux croisé;
• contre-courant.

Le modèle à coque et tube tire son nom du fait que les tuyaux à travers lesquels le liquide de refroidissement circule sont placés à l'intérieur du boîtier. Il y a une dépendance de la vitesse du milieu de travail sur le nombre de tubes situés dans le boîtier. À son tour, plus la vitesse est élevée, plus le taux de transfert de chaleur de l'appareil est élevé.

Considérez les matériaux de base à partir desquels ces radiateurs sont fabriqués:

• acier allié;
• acier inoxydable;
• acier à haute résistance.

Les tubes de ces dispositifs peuvent être constitués des matériaux suivants:

• acier;
• cuivre;
• laiton;
• titane.

L'utilisation de ces matériaux est due au fait que les échangeurs de chaleur sont généralement utilisés dans des conditions difficiles et entrent en contact avec des substances agressives qui peuvent provoquer de la corrosion.

Les échangeurs de chaleur sont fabriqués à partir de matériaux à haute résistance à la corrosion, tels que le titane ou l'acier inoxydable.

Important! L'acier conventionnel ne convient pas pour un échangeur de chaleur à coque et à tube car il a une faible résistance à la corrosion.

Les modèles à coque et à tube sont également divisés en types. Aujourd'hui, il existe 4 types de ces appareils:

• un radiateur équipé d'un compensateur de température;
• chauffage avec tubes statiques (fixes);
• appareil avec tubes en U et en W;
• dispositif à tête flottante.

Les radiateurs à coque et à tube peuvent être placés dans l'espace horizontalement, verticalement ou selon un certain angle.

Augmentation du coefficient de transfert de chaleur

L'industrie ne reste pas immobile - améliorant constamment les échangeurs de chaleur. L'amélioration des caractéristiques techniques est obtenue grâce à l'utilisation des méthodes suivantes:

• création d'écoulements turbulents;
• la mise en place d'inserts en spirale, grâce auxquels se forme un écoulement longitudinal et transversal autour des tubes;
• production de tubes profilés et torsadés;
• l'utilisation de mélanges, qui comprennent des liquides et des gaz;
• créer des vibrations sur les surfaces responsables du transfert de chaleur;
• flux pulsé de l'environnement de travail.

Les méthodes ci-dessus peuvent augmenter le coefficient de transfert de chaleur. Il est également courant d'utiliser plusieurs méthodes à la fois. Une telle combinaison peut augmenter considérablement les caractéristiques de fonctionnement d'un appareil de chauffage à coque et à tube d'un facteur de 2 à 3. Il convient également de noter que certaines méthodes augmentent non seulement les taux de transfert de chaleur, mais peuvent également remplir d'autres fonctions utiles. Par exemple, des écoulements turbulents empêchent la formation de dépôts de sel sur les parois internes des tuyaux, ce qui élimine le rétrécissement de la lumière des tubes.

L'amélioration continue de la conception de l'échangeur de chaleur permet d'augmenter le transfert de chaleur et d'augmenter les caractéristiques opérationnelles

Conseils de sélection des échangeurs de chaleur

Le programme de calcul du réchauffeur coque et tube nécessite une déclaration claire des données initiales. Un bon appareil de récupération nécessite un circuit bien défini. Il y a plusieurs points à considérer lors du choix d'un échangeur de chaleur à coque et à tube. Ces dispositions sont très importantes pour les calculs.

Tout d'abord, il convient de noter que pour les liquides de refroidissement liquides et gazeux, il existe une vitesse de circulation spécifique à travers les tubes. Comme mentionné ci-dessus, plus la vitesse est élevée, meilleur est le transfert de chaleur, respectivement. Pour les milieux liquides, la vitesse varie de 0,6 à 6 m / s. Pour les milieux gazeux, la vitesse peut aller de 3 à 30 m / s. Cependant, la quantité d'énergie dépensée dépend également de la vitesse, par conséquent, dans certains cas, la vitesse du liquide de refroidissement est sous-estimée pour réduire la consommation d'électricité.

Lors du choix des tubes, vous devez faire attention au matériau dont ils sont faits, ainsi qu'à leur diamètre. Le matériau des tubes est choisi en fonction du milieu de travail qui circulera à travers eux. Il faut s'en souvenir - plus l'environnement est agressif, plus le matériau du tube doit être fiable.

Important! Si le système doit être nettoyé à l'acide, il est recommandé de choisir un tube en acier inoxydable. L'acier inoxydable se caractérise par des propriétés anti-corrosion élevées, une excellente résistance aux réactifs agressifs et, en outre, un faible coefficient de conductivité thermique.

Les échangeurs de chaleur à coque et à tube sont des appareils plutôt encombrants, par conséquent, lors de leur choix, il convient de considérer leurs tailles, de sorte qu'à l'avenir, leur transport et leur installation ne rencontreront aucune difficulté.

Les appareils surdimensionnés ont un poids important, ce qui augmente les coûts de transport

Il est également nécessaire de prendre en compte le fait qu'après les travaux d'installation, il doit y avoir suffisamment d'espace devant le récupérateur pour effectuer les réparations opérationnelles de l'appareil si nécessaire. Il doit y avoir suffisamment d'espace pour que le système de tuyaux puisse être retiré du boîtier. L'échangeur de chaleur à coque et à tube doit avoir une conception qui prend en compte le libre accès non seulement aux éléments principaux, mais également aux autres pièces de rechange. Cela est particulièrement vrai pour les dispositifs de commande.

Conseils d'utilisation des échangeurs de chaleur à tubes et à coque

Les échangeurs de chaleur de ce type, bien que ce soient des dispositifs assez sans prétention, cependant, et tôt ou tard ils ont besoin d'un nettoyage ou d'une réparation préventifs.

La réparation de l'échangeur de chaleur entraîne certaines conséquences - le plus souvent, il s'agit d'une diminution du coefficient de transfert de chaleur. La partie la plus vulnérable de la coque et du tube chauffant est le tube. En règle générale, ce sont eux qui provoquent la panne. Connaissant cette caractéristique des échangeurs de chaleur, les experts conseillent de les acheter avec une marge. De plus, des problèmes surviennent souvent lorsque ces appareils sont régulés par du condensat. Tout changement entraîne des écarts dans la zone de transfert de chaleur. Les changements dans la zone de transfert de chaleur sont généralement non linéaires.

Faire un tel appareil de vos propres mains est assez difficile, voire impossible dans certains cas. L'échangeur de chaleur à coque et à tube est un équipement très complexe dont la fabrication nécessite une stricte adhésion au processus technologique qui comprend de nombreuses étapes.