Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes représentent environ 90 % du nombre total d’échangeurs de chaleur utilisés dans l’industrie, ce qui en fait le type d’échangeur de chaleur le plus largement utilisé.

Les formes structurelles typiques des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes comprennent les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires fixes, les échangeurs de chaleur à tubes en U, les échangeurs de chaleur à tête flottante, les échangeurs de chaleur à presse-étoupe, les rebouilleurs à bouilloire, les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires doubles, les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires à renfort, les plaques tubulaires flexibles. échangeurs de chaleur et échangeurs de chaleur enroulés en spirale.

1. Échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes

L'échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes (Figure 1) est une connexion fixe (intégrale ou serrée) entre les deux plaques tubulaires d'extrémité et la coque.

Il s’agit du type d’échangeur de chaleur le plus utilisé. Les deux extrémités du tube d'échange thermique sont fixées sur la plaque tubulaire, qui est soudée à la coque.

Les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires fixes conviennent à diverses occasions :

1) Dans les situations où la différence de température entre le métal du côté du tube et de la coque n'est pas très importante et où la pression est élevée. Lorsque la différence de température entre le métal côté tube et côté coque est importante, la pression ne peut pas être trop élevée car la grande différence de température augmentera inévitablement le joint de dilatation, qui a une mauvaise résistance à la pression.

2) En raison de l'incapacité du côté coque à être nettoyé mécaniquement, il est nécessaire que le milieu côté coque soit propre ; Ou dans des situations où du tartre peut se produire mais peut être éliminé par un nettoyage chimique.

Avantages :

1) Il a une structure simple, utilise moins de pièces forgées et un faible coût de fabrication.

2) Le côté tube peut être divisé en diverses formes de passes multiples, et le côté coque peut également être divisé en deux passes.

3) La zone de transfert de chaleur est de 20 à 30 % plus grande que celle d'un échangeur de chaleur à tête flottante.

4) La fuite de dérivation est relativement faible.

Désavantages:

1) Ne convient pas aux situations où il existe une différence significative de déformation par dilatation thermique entre les tubes d'échange thermique et les cylindres côté calandre, car une contrainte de différence de température peut facilement se produire entre la plaque tubulaire et l'extrémité du tube, entraînant des dommages.

2) Après la corrosion du tuyau, cela conduit à la mise au rebut de la coque, et la durée de vie des composants de la coque est déterminée par la durée de vie du tuyau, de sorte que la durée de vie de l'équipement est relativement faible.

3) La coque ne peut pas être nettoyée et l'inspection est difficile.

2. Échangeur de chaleur à tube en forme de U

L'échangeur de chaleur à tube en forme de U (Figure 2) est un tube d'échange de chaleur dont les deux extrémités sont fixées sur la même plaque tubulaire, qui est reliée de manière fixe à la coque (intégrale ou serrée).

Les échangeurs de chaleur à tubes en forme de U peuvent être utilisés dans les situations suivantes

1) Le flux dans le pipeline est un fluide propre.

2) La pression dans la canalisation est particulièrement élevée.

3) Dans les situations où il existe une grande différence de température entre le métal sur les côtés du tube et de la coque, les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires fixes ne peuvent même pas répondre aux exigences des joints de dilatation.

Avantages :

1) Le flottement libre à l'extrémité du tube d'échange thermique en forme de U résout la contrainte de différence de température et peut être utilisé pour deux milieux présentant de grandes différences de température. La différence de température entre le métal côté tube et côté coque n'est pas limitée.

2) Le faisceau de tubes peut être retiré pour faciliter le nettoyage fréquent de la paroi extérieure du tube d'échange thermique.

3) Avec une seule plaque tubulaire et un petit nombre de brides, la structure est simple et il y a peu de points de fuite, ce qui entraîne un coût inférieur.

4) Il peut fonctionner à haute température et haute pression et convient généralement à t ≤ 500 ℃ et p ≤ 10MPa.

5) Peut être utilisé dans des situations où la mise à l’échelle des côtés de la coque est relativement importante.

Désavantages:

1) Lorsque le débit dans le tuyau est trop élevé, cela provoquera une grave érosion de la section coudée en forme de U, affectant sa durée de vie. En particulier pour les conduites à faible R, le débit à l’intérieur de la conduite doit être contrôlé.

2) Le pipeline n’est pas adapté aux situations à fort tartre.

3) En raison de la limitation du tube en U Rmim et de la grande distance de séparation, le nombre de tubes dans l'échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes est légèrement inférieur.

4) Lorsque le tube d'échange thermique fuit, à l'exception du tube extérieur en forme de U, il ne peut pas être remplacé et ne peut être bloqué.

5) La partie centrale du faisceau de tubes présente de grands pores et le fluide est sujet aux courts-circuits, ce qui affecte l'effet de transfert de chaleur. Il faudra donc ajouter des cloisons pour réduire les courts-circuits.

6) En raison de la grande zone morte, il ne convient que pour le tube de guidage intérieur.

7) Le nombre de tubes d'échange thermique disposés sur la plaque tubulaire est relativement faible.

8) La section de courbure en forme de U du tuyau le plus à l'extérieur, en raison de sa grande portée non supportée, devrait causer des problèmes de vibrations induites par le fluide.

9) Lorsqu'il existe des exigences en matière de corrosion sous contrainte, une attention particulière doit être accordée.

3. Échangeur de chaleur à tête flottante

L'échangeur de chaleur à tête flottante (Figure 3) est un type serré dans lequel une extrémité de la plaque tubulaire est reliée de manière fixe à la coque, tandis que l'autre extrémité de la plaque tubulaire à tête flottante (y compris le couvre-culasse flottant, le dispositif de support, etc.) flotte librement à l’intérieur de la boîte à tubes. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de prendre en compte les contraintes liées à la différence de température, car il existe une grande différence de température entre les parois métalliques des côtés du tube et de la coque.

Avantages :

1) Le faisceau de tubes peut être retiré pour faciliter le nettoyage du côté tube et coque.

2) La paroi de la coque et la paroi du tube ne sont pas limitées par la différence de température.

3) Il peut fonctionner à haute température et haute pression, généralement t ≤ 450 ℃ et p ≤ 6,4 MPa.

4) Peut être utilisé dans des situations de mise à l’échelle importante.

5) Peut être utilisé dans des scénarios de corrosion des pipelines.

Désavantages:

1) Il est difficile de prendre des mesures lorsqu'une fuite se produit pendant le fonctionnement de la surface d'étanchéité de la tête flottante à l'intérieur du milieu côté coque.

2) Structure complexe, consommation élevée de matériaux métalliques et coût élevé.

3) La structure de la tête flottante est complexe et affecte le nombre de tuyaux disposés.

4) Le dispositif de test de pression utilisé lors des tests de pression est complexe.

5) Les matériaux métalliques consomment une grande quantité et ont un coût 20 % plus élevé.

échangeur de chaleur à presse-étoupe

Une extrémité de la plaque tubulaire est reliée de manière fixe à la coque (type à pince), tandis que l'autre extrémité de la plaque tubulaire flotte librement à l'intérieur de la boîte d'emballage.

Le faisceau de tubes peut être rallongé et peut être utilisé pour deux fluides présentant une grande différence de température. La structure est également plus simple que celle d'un échangeur de chaleur à tête flottante, ce qui la rend plus facile à fabriquer et plus rentable qu'un échangeur de chaleur à tête flottante. Le faisceau de tubes pouvant être retiré, il est facile à entretenir et à nettoyer. Convient pour une utilisation dans des milieux présentant une corrosion sévère.

4.1 Échangeur de chaleur à emballage extérieur (Figure 4)

Convient aux équipements d'un diamètre inférieur à DN700 mm, et la pression et la température de fonctionnement ne doivent pas être trop élevées. Il est généralement utilisé dans les situations où p ≤ 2,0MPa.

4.2 Échangeur de chaleur à boîte d'emballage à plaque tubulaire coulissante

Au point d'étanchéité sur le côté intérieur de la garniture, il y aura toujours un phénomène d'écoulement entre le fluide côté tube et côté calandre, ce qui ne convient pas aux situations où le fluide côté tube et calandre ne peut pas se mélanger.

4.2.1 Échangeur de chaleur à presse-étoupe simple (Figure 5)

Au point d'étanchéité sur le côté intérieur de la garniture, il y aura toujours un phénomène d'écoulement entre le fluide côté tube et côté coque, ce qui ne convient pas aux situations où le fluide côté tube et coque ne peut pas se mélanger.

4.2.2 Échangeur de chaleur à double presse-étoupe (Figure 6)

La structure est principalement scellée avec la bague intérieure pour empêcher les fuites internes et externes, tandis que la bague extérieure est utilisée comme joint auxiliaire pour empêcher les fuites externes. Un tuyau de sortie de fuite est placé entre les bagues d'étanchéité intérieure et extérieure pour se connecter à l'évent principal basse pression. Cette structure peut être utilisée pour des fluides moyennement nocifs, explosifs et autres.

5.Krebouilleur ettle 

Le rebouilleur à bouilloire (Figure 7) est une connexion fixe (type à pince) entre une extrémité de la plaque tubulaire et la coque, et l'autre extrémité est un faisceau de tubes à tête flottante ou en forme de U. Le côté calandre est une coque conique inclinée simple (ou double) avec un espace d'évaporation, de sorte que la température et la pression du côté tube sont plus élevées que celles du côté calandre. Généralement, le milieu côté coque est chauffé par le milieu côté tube. P ≤ 6,4 MPa.

Avantages :

1) Convient aux rebouilleurs inférieurs et aux rebouilleurs à siphon de ligne latérale.

2) Économisez plus de 25 % du poids de l’équipement.

3) Bonne résistance à la corrosion.

4) Il a un effet autonettoyant. Dans les situations où il existe une grande différence de température entre le côté tube et le côté coque.

5) Le coefficient de transfert de chaleur total a augmenté de plus de 40 %.

6) Dans des situations avec des taux de vaporisation élevés (30-80%).

7) Dans les situations où la phase liquide du milieu de traitement rebouilli est utilisée comme produit ou nécessite des exigences de séparation élevées.

8) Bonne résistance à la corrosion.

Désavantages:

1) Sur les équipements de pétrole lourd, tels que les équipements de pétrole résiduel et de pétrole brut, il n’y a pas d’historique d’application.

2) Ne convient pas aux environnements contenant du sulfure d’hydrogène humide.

6. Échangeur de chaleur à double plaque tubulaire

L'échangeur de chaleur à double plaque tubulaire (Figure 8) comporte deux plaques tubulaires de chaque côté, et une extrémité du tube d'échange thermique est connectée simultanément aux deux plaques tubulaires. Principalement utilisé pour mélanger le milieu entre le côté tube et le côté coque, ce qui entraînera de graves conséquences. Mais la fabrication est difficile ; Exigences de conception élevées.

1) Prévention de la corrosion : Le mélange des deux médias côté tube et côté calandre peut provoquer une corrosion grave.

2) Protection du travail : une voie est un milieu hautement toxique et l'infiltration dans l'autre voie peut provoquer une pollution importante du système.

3) En termes de sécurité, le mélange du fluide côté tube et côté calandre peut provoquer une combustion ou une explosion.

4) Contamination de l'équipement : Le mélange des médias côté tube et côté coque peut provoquer une polymérisation ou la formation de substances ressemblant à de la résine.

5) Intoxication du catalyseur : L'ajout d'un autre milieu peut entraîner des modifications des performances du catalyseur ou des réactions chimiques.

6) Réaction de réduction : lorsque le milieu côté tube et côté coque est mélangé, la réaction chimique s'arrête ou se limite.

7) Impureté du produit : lorsque le milieu contenu dans le tube et la coque est mélangé, cela peut provoquer une contamination du produit ou une diminution de la qualité du produit.

6.1 Échangeur de chaleur à plaques tubulaires fixes à double plaque tubulaire (Figure 9)

6.2 Échangeur de chaleur à plaques en U à double tube (Figure 10)

6.3 Rebouilleur à bouilloire à double tube et tube en U (Figure 11)

7. Échangeur de chaleur à plaques tubulaires

L'échangeur de chaleur à plaque tubulaire pull-up (Figure 12) a une épaisseur de plaque tubulaire plus fine, généralement comprise entre 12 et 18 mm.

7.1 Les types de structure comprennent :

(1) Face à face (Allemagne) : La plaque tubulaire est soudée sur la surface d'étanchéité de la bride de l'équipement (Figure 12a).

(2) Type incrusté (ancienne Union soviétique) Norme ГОСТ) : La plaque tubulaire est soudée à la surface plane de la surface d'étanchéité de la bride de l'équipement (Figure 12b).

(3) Soudage en coin (anciennement développé par le Shanghai Pharmaceutical Design Institute) : la plaque tubulaire est soudée à la coque (Figure 12c).

7.2 Champ d'application :

1) Pression de conception : le côté tube et le côté coque ne doivent pas dépasser 1,0 MPa respectivement ;

2) Plage de température : La plage de température de conception pour le côté tube et le côté coque est comprise entre 0 ℃ et 300 ℃ ; La différence moyenne de température de paroi entre le tube d'échange thermique et la coque ne doit pas dépasser 30 ℃ ;

3) Plage de diamètre : Le diamètre intérieur de la coque ne doit pas dépasser 1 200 mm ;

4) Longueur du tube d’échange thermique : ne dépassant pas 6 000 mm.

5) Les tubes d'échange thermique doivent être constitués de tubes lumineux et avoir un coefficient de dilatation linéaire proche de celui du matériau de la coque (la différence de valeurs entre les deux ne doit pas dépasser 10 %).

7.3. Aucun joint de dilatation ne doit être installé.

8. Échangeur de chaleur à plaques tubulaires flexibles

Convient aux chaudières à chaleur résiduelle (déchets) horizontales à calandre et à tubes avec du gaz comme fluide côté tube et de la vapeur d'eau saturée générée du côté calandre.

La connexion entre la plaque tubulaire de type I et la coque (canal) (voir Figure 13a) et la connexion entre la plaque tubulaire de type II et la coque (canal) (voir Figure 13b).

Champ d'application :

1) La pression de conception du côté tube ne doit pas dépasser 1,0 MPa, la pression de conception du côté coque ne doit pas dépasser 5,0 MPa et la pression côté coque doit être supérieure à la pression côté tube ;

(1) Le type I est utilisé pour une pression de conception de tuyau inférieure ou égale à 0,6 MPa ;

(2) Le type II est utilisé pour les pressions de conception de tuyauterie inférieures ou égales à 1,0 MPa.

2) Le diamètre de la coque et la longueur du tube d'échange thermique sont respectivement de 2 500 mm et 7 000 mm.

9. Échangeur de chaleur à tube enroulé en spirale efficace

Afin d'économiser l'investissement en équipement, la zone de transfert de chaleur maximale des tubes d'échange de chaleur est disposée dans le volume limité de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, et l'efficacité du transfert de chaleur est améliorée. Par conséquent, l’échangeur de chaleur à tubes enroulés (Figure 16) a vu le jour. Ce type d'échangeur de chaleur est un tube d'échange de chaleur multicouche et multi-têtes en acier inoxydable de petit diamètre enroulé et soudé sur la tige centrale, comme le montre la figure 16.

10. Échangeur de chaleur ondulé en acier inoxydable austénitique

1) Portée applicable :

(1) La pression de conception ne doit pas dépasser 4,0 MPa ;

(2) La température de conception ne doit pas dépasser 300 ℃ ;

(3) Le diamètre nominal ne doit pas dépasser 2 000 mm ;

(4) Le diamètre nominal ne doit pas dépasser 4 000 fois le produit de la pression de conception.

2) Occasions inappropriées

(1) Médias présentant une toxicité extrême ou très dangereuse ;

(2) Médias explosifs ;

(3) Dans les situations où il existe une tendance à la corrosion sous contrainte.

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