Principe des échangeurs de chaleur

Un échangeur de chaleur à plaques est un type d’échangeur de chaleur composé de fines plaques métalliques embouties en forme ondulée, puis empilées et assemblées au moyen de plaques de cadre et de boulons de serrage. Les fluides de service circulent dans des canaux étroits et sinueux formés entre deux plaques adjacentes, où l’échange thermique a lieu lorsque les fluides chaud et froid traversent ces canaux interplaque.

L’échangeur de chaleur à plaques de type suspendu est composé d’éléments essentiels tels que des plaques ondulées, des joints d’étanchéité, une plaque de pression fixe, une plaque de serrage, des plaques intermédiaires, une plaque de pression mobile, des supports, des tiges de guidage supérieure et inférieure ainsi que des boulons de serrage. Chaque plaque est munie de quatre orifices aux coins, par lesquels circulent les deux fluides à échanger. Les plaques d’échange thermique sont montées dans un cadre comprenant, d’un côté, une plaque fixe et une plaque mobile, l’ensemble étant maintenu par des boulons de serrage. Les plaques adjacentes présentent des canaux ondulés orientés en sens opposé ; leurs intersections s’emboîtent pour former des points de contact, créant un écoulement turbulent en service et assurant ainsi une efficacité élevée du transfert de chaleur. Des joints d’étanchéité sont collés sur les plaques afin d’assurer l’étanchéité des passages des fluides. Les plaques et la plaque de pression sont suspendues à la tige de guidage supérieure et positionnées par les tiges de guidage supérieure et inférieure, elles‑mêmes ancrées aux colonnes de support. Lorsque l’un ou les deux fluides effectuent plusieurs passes à l’intérieur de l’échangeur, plutôt qu’une seule, les emplacements des orifices sont déterminés en fonction du nombre de passes et sont percés soit dans la plaque fixe, soit dans la plaque mobile, soit dans les deux.

Le mécanisme de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur à plaques repose sur la loi thermodynamique selon laquelle « la chaleur s’écoule toujours spontanément d’un corps à haute température vers un corps à basse température ; dès qu’il existe une différence de température entre deux fluides, un transfert de chaleur se produit inévitablement ». Dans la conception d’un échangeur de chaleur, les plaques sont disposées à des intervalles précis et maintenues serrées par des joints en caoutchouc, formant ainsi des canaux d’écoulement. Deux fluides présentant une différence de température pénètrent dans ces canaux par des orifices situés aux coins et, au cours d’un transfert de chaleur par convection forcée, circulent dans des canaux adjacents — soit en contre‑courant, soit en co‑courant — ce qui permet l’échange thermique à travers les plaques. Les plaques d’échange thermique sont ondulées selon divers motifs afin d’accroître à la fois la surface d’échange et la rigidité structurelle. Une géométrie d’ondulation judicieusement conçue garantit que, même à de faibles nombres de Reynolds, le fluide atteint un écoulement fortement turbulent, maximisant ainsi l’efficacité du transfert de chaleur. En outre, la géométrie ondulée des surfaces des plaques d’échange est optimisée de telle sorte que, même lorsque la vitesse du fluide demeure inférieure au nombre de Reynolds critique, l’écoulement entre les plaques présente un mouvement tridimensionnel, engendrant une turbulence intense et réduisant la résistance de la couche limite thermique, ce qui renforce les performances du transfert de chaleur.

Paramètres de sélection requis pour les échangeurs de chaleur

1. Débits (m³/h) sur les faces chaude et froide de l’échangeur de chaleur

2. Températures d’entrée et de sortie (°C) des circuits chaud et froid de l’échangeur de chaleur

3. Pression de service maximale de l’échangeur de chaleur (MPa)

4. Perte de charge admissible sur les faces chaude et froide de l’échangeur de chaleur (MPa)

5. Taux total de transfert de chaleur de l’échangeur de chaleur (kW ou kcal/h)