b2344

Échangeurs de chaleur
Problèmes de fonctionnement
par
André BONTEMPS
Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Alain GARRIGUE
Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Charles GOUBIER
Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Jacques HUETZ
Directeur de Recherche émérite au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),
Professeur à l’École Centrale de Paris
Christophe MARVILLET
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
Pierre MERCIER
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
et
Roland VIDIL
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble.
Tous ces auteurs font partie du Groupement pour la recherche sur les Échangeurs
thermiques (GRETh).
1.
1.1
1.2
1.3
2 - 1995
1.4
B 2 344 - 2
—
2
—
3
—
3
—
5
2.
2.1
2.2
2.3
Corrosion....................................................................................................
Processus de dégradation...........................................................................
Différents types de corrosion .....................................................................
Protection contre la corrosion ....................................................................
—
—
—
—
6
6
7
7
3.
3.1
3.2
3.3
Vibrations...................................................................................................
Caractéristiques vibratoires des tubes.......................................................
Vibrations induites par le fluide et couplage fluide/tubes........................
Recommandations.......................................................................................
—
—
—
—
7
8
9
10
4.
4.1
Aspects réglementaires .........................................................................
Application aux échangeurs de chaleur de la réglementation
sur les appareils à pression ........................................................................
Réglementation en matière de construction d’échangeur de chaleur ....
Règles de qualification ou d’essais des échangeurs de chaleur.
Normes européennes..................................................................................
—
11
—
—
11
12
—
12
4.2
4.3
B 2 344
Encrassement............................................................................................
Classification : différents types d’encrassement.......................................
Apparition et développement de l’encrassement.....................................
Dimensionnement des échangeurs avec prise en compte
de l’encrassement........................................................................................
Prévention de l’encrassement pendant les phases
de fonctionnement ......................................................................................
Pour en savoir plus...........................................................................................
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Doc. B 2 345
B 2 344 − 1
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
es principaux problèmes de fonctionnement rencontrés par les utilisateurs
d’échangeur de chaleur ont trait aux phénomènes d’encrassement, de
corrosion, de vibrations et de tenue mécanique.
L’encrassement et la corrosion restent les phénomènes les moins compris
de l’industrie ; ils se traduisent par :
— un surdimensionnement des appareils dans les bureaux d’études ;
— une dépense d’énergie supplémentaire ;
— le remplacement des appareils corrodés ;
— des coûts d’arrêt des installations pour démontage et nettoyage.
Le lecteur trouvera une description générale des divers phénomènes rencontrés et pourra se reporter pour plus de détails à une littérature spécialisée (cf.
Pour en savoir plus [Doc. B 2 345]).
Les phénomènes vibratoires doivent également être pris en compte dans
le dimensionnement des échangeurs au même titre que les transferts de chaleur
ou les pertes de charge. Une méthodologie permettant d’évaluer les vibrations
induites par le fluide est détaillée dans le présent article.
Enfin, les problèmes de tenue mécanique sont, pour les géométries les plus
classiques, traités dans divers textes réglementaires décrits succinctement en
fin de l’article, de même qu’une normalisation européenne en matière d’essais
qui est en train d’émerger.
L’ensemble Échangeurs de chaleur fait l’objet de plusieurs articles :
[B 2 340] Généralités
[B 2 341] Description des échangeurs
[B 2 342] Dimensionnement thermique des échangeurs
[B 2 343] Intensification des échanges thermiques
[B 2 344] Problèmes de fonctionnement et aspects réglementaires
ainsi que d’un tableau de notations et symboles en tête et d’une documentation en fin, communs à cet ensemble.
L
1. Encrassement
L’encrassement, qui sous sa forme la plus générale peut être défini
comme l’accumulation d’éléments solides indésirables sur une interface, affecte une grande variété d’opérations industrielles. Dans le
cas des échangeurs, la présence d’un fort gradient thermique près
de la surface peut perturber les mécanismes d’encrassement
isotherme rencontrés, par exemple lors de l’utilisation de membrane
ou de filtre.
1.1 Classification : différents types
d’encrassement
Il est possible de classer l’encrassement selon le mécanisme qui
contrôle la vitesse de dépôt, selon les conditions d’utilisation de
l’échangeur ou selon le mécanisme dominant, même s’il ne contrôle
pas la vitesse de dépôt. Nous adopterons, comme la plupart des
auteurs [Epstein], cette dernière méthode de classification. Six types
différents peuvent alors être définis :
— encrassement particulaire ;
— corrosion ;
— entartrage ;
— encrassement biologique ;
— encrassement par réaction chimique ;
— encrassement par solidification.
B 2 344 − 2
■ Encrassement particulaire [Gudmunsson]
Il s’agit du dépôt puis de l’accumulation sur les surfaces d’échange
de particules transportées par l’écoulement des fluides industriels :
— l’eau des chaudières contenant des produits de corrosion, celle
des tours de refroidissement, des particules transportées par l’air
et des produits de corrosion (oxydes et hydroxydes de fer) ;
— les écoulements gazeux pouvant être fortement chargés de
particules de poussières ;
— les fumées industrielles de résidus solides de combustion.
■ Corrosion [Epstein, Leconte]
L’encrassement par corrosion (§ 2) est le résultat d’une réaction
chimique ou électrochimique entre la surface de transfert de chaleur
et le fluide en écoulement. Les produits de la réaction qui se forment
et restent sur la surface d’échange créent l’encrassement. Il s’agit
là d’un mécanisme de corrosion in situ. Lorsque l’encrassement est
dû à des produits de corrosion générés ex situ, l’encrassement
correspondant est du type particulaire.
■ Entartrage [Epstein]
Il est généralement associé à la production d’un solide cristallin
à partir d’une solution liquide. Il dépend donc de la composition de
l’eau industrielle.
Lorsque les sels dissous sont, comme le carbonate de calcium,
à solubilité inverse, le liquide devient sursaturé au voisinage de la
surface d’échange plus chaude ; la cristallisation se produit alors sur
la surface et le dépôt est dur et adhérent ; dans le cas contraire d’une
cristallisation se produisant au sein même d’un liquide plus chaud
que la surface, le dépôt est plus mou et friable. L’encrassement par
les sels à solubilité normale existe, même s’il est plus rare ; il faut
signaler le cas des saumures géothermales à forte teneur en silice.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
L’entartrage peut se produire dans les échangeurs refroidis à l’eau,
dans les unités de dessalement d’eau de mer ou saumâtre, dans les
chaudières, dans les échangeurs de l’industrie agroalimentaire, dans
les systèmes géothermiques. Il existe différentes méthodes de prévention de l’entartrage (§ 1.4).
■ Encrassement biologique [Nelcowater Handbook et mémento
Degrémont]
Il est dû au développement de micro-organismes (bactéries,
algues ou champignons) qui créent un film au contact de la surface
d’échange : il peut même, à l’échelle macroscopique, être caractérisé
par le développement de coquillages.
Les actions de prévention consistent soit à détruire les
micro-organismes, soit à empêcher leur développement. Les traitements correspondants utilisent des biocides et il est essentiel de
maintenir la concentration du produit pendant le temps de réaction.
Le biocide le plus utilisé est le chlore qui est toxique pour la plupart
des micro-organismes et a une action rapide. Le choix final du traitement à adopter est en général un compromis entre les problèmes
de toxicité, de pollution, de coût et de maintenance.
La tendance à l’encrassement biologique est naturelle puisque les
bactéries sont omniprésentes dans l’eau ; en outre, les conditions
physico-chimiques rencontrées dans les échangeurs sont le plus
souvent favorables à son développement.
■ Encrassement par réaction chimique [Froment, Lund]
On rencontre ce type d’encrassement quand une réaction
chimique se produit près d’une surface d’échange et que les solides
produits par la réaction s’y déposent. Cette réaction est souvent une
polymérisation ; il en résulte la formation d’un dépôt.
Les domaines concernés sont essentiellement l’industrie pétrochimique (craquage thermique des hydrocarbures lourds), l’industrie agroalimentaire (pasteurisation du lait) et les circuits de
chauffage utilisant des fluides organiques.
■ Encrassement par solidification [Epstein]
Il s’agit de la solidification d’un liquide pur au contact d’une surface
d’échange sous-refroidie (formation d’une couche de glace à l’intérieur des conduites forcées ou de givre) ou du dépôt d’un constituant
à haut point de fusion d’un liquide au contact d’une surface de transfert de chaleur froide (dépôt d’hydrocarbures paraffiniques). Une
vapeur peut également se déposer sous une forme solide sans
passer par l’état liquide (formation du givre).
■ Transfert des particules à la paroi
Il peut être contrôlé par la diffusion turbulente, l’impaction inertielle ou un champ de forces extérieures (thermiques, électriques,
etc.) ; ces mécanismes peuvent coexister.
■ Adhésion des particules
Les particules transférées à la paroi peuvent s’y maintenir grâce
aux forces d’adhésion dues à l’attraction moléculaire (forces de Van
der Waals), aux forces électriques ou capillaires.
■ Réentraînement des particules déposées
Il est classique de supposer que le mécanisme de réentraînement
est lié aux forces de cisaillement s’exerçant sur le dépôt. Lorsque
la force aérodynamique est supérieure aux forces d’adhésion d’une
particule, le réentraînement se produit par érosion (figure 1) ;
lorsqu’il concerne des agglomérats de particules, il correspond à un
phénomène d’écaillage.
■ Vieillissement du dépôt
Il s’agit d’un changement de texture du dépôt d’origine chimique
ou cristalline. On peut alors observer soit sa consolidation, soit son
écaillage.
1.3 Dimensionnement des échangeurs
avec prise en compte
de l’encrassement
1.3.1 Résistance thermique d’encrassement
et coefficient d’excès de surface
D’une façon générale, la (ou les) couche(s) de dépôt localisée(s)
sur la surface d’échange (figure 2) crée(nt) une (ou des) résistance(s) thermique(s) supplémentaire(s) qui s’oppose(nt) au flux
de chaleur transféré.
■ Modes combinés
La plupart des dépôts réels sont le résultat de la combinaison d’au
moins deux des types précédemment décrits. Dans les échangeurs
refroidis à l’eau par exemple, les dépôts peuvent provenir de l’entartrage, de l’encrassement particulaire, de la corrosion in situ et de
l’encrassement biologique. Au stade initial de la formation du dépôt,
un type peut prédominer et accélérer ainsi la contribution des autres.
Si quelques progrès ont été réalisés dans la compréhension du mode
d’action des types élémentaires, leurs interactions restent encore
bien souvent difficiles à préciser.
Figure 1 – Représentation schématique des phases de dépôt
et de réentraînement de l’encrassement dans le cas d’un liquide
1.2 Apparition et développement
de l’encrassement
Les auteurs s’accordent en général pour considérer cinq phases
dans l’apparition et le développement de l’encrassement. Ces cinq
phases peuvent chronologiquement se décomposer comme suit.
■ Initiation
Cette phase est associée au temps nécessaire avant de pouvoir
observer la formation d’un dépôt encrassant sur une surface propre.
Figure 2 – Résistances thermiques d’encrassement des dépôts
interne et externe localisés sur une surface d’échange
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 344 − 3
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Le coefficient d’échange global K (rapporté à la surface extérieure) est donné par :
e
1
------- + ----- ---------- + h-------1 - + -------D h
λ D
De
De
e
i
i
m
e
De
+ -------- i
Di













1
---- = =
K
= 1K 0
Le premier terme du dernier membre de l’équation représente la
résistance thermique globale de l’échangeur propre 1/K 0 et les
deux derniers les résistances thermiques des dépôts externe et
interne ; le rapport D e /D i concerne la correction de surface nécessaire pour rapporter à la surface extérieure les résistances élémentaires (dans le cas d’une tuyauterie cylindrique, D e /D i est le
rapport des diamètres ou des rayons et D m le diamètre moyen).
Par ailleurs, la prise en compte de l’encrassement se traduit par
un excès de surface caractérisé par le coefficient C s défini par :
Cs =
- 100
---------------S S – S0
0
avec S 0 et S surfaces d’échange respectivement avant et après
encrassement nécessaires pour transférer le même flux de chaleur
avec la même différence moyenne logarithmique de température,
c’est-à-dire avec :
Φ = KS ∆T ML = K 0 S 0 ∆T ML
Le coefficient d’excès de surface s’exprime alors par :
Cs =
- 100
----------------K K0–K
1.3.2 Valeurs recommandées pour la résistance
thermique d’encrassement
L’évaluation de la résistance d’encrassement pour les conditions
d’utilisation envisagées doit permettre au projeteur de l’échangeur
de mettre en place le surplus de surface d’échange nécessaire pour
pallier le phénomène d’encrassement. Il existe différentes
démarches possibles pour effectuer cette détermination :
— la sélection d’une valeur de résistance à l’encrassement donnée dans des tables, par exemple les tables TEMA (Tubular
Exchanger Manufacturer Association) en ce qui concerne l’encrassement dû à certains liquides ;
— l’utilisation de données imposées par le futur utilisateur qui
possède une certaine expérience dans ce domaine.
■ Encrassement côté liquide
Les valeurs recommandées par TEMA dans les tables du même
nom sont probablement les plus utilisées pour le dimensionnement
des échangeurs. Il ne s’agit pas de valeurs de résistance asymptotique d’encrassement mais de valeurs conduisant à un surdimensionnement acceptable en regard de la durée de fonctionnement
entre deux nettoyages. Cependant, cette méthode présente de
nombreuses imperfections. On remarquera surtout que :
— les tables TEMA ne concernent que les procédés utilisant l’eau
ou les hydrocarbures circulant dans des échangeurs à tubes et
calandre lorsque le fluide encrassant circule à l’intérieur des tubes
et ne donnent aucune valeur pour les autres types de fluides et
d’échangeurs qui sont pourtant nombreux ;
— ces tables reconnaissent peu les variations de résistance thermique avec les variables du procédé telles que la vitesse, la température et la composition ;
— aucune indication n’est donnée concernant la manière dont
apparaît la résistance thermique, c’est-à-dire suivant une évolution
asymptotique ou bien après une durée d’exploitation non précisée ;
B 2 344 − 4
— cette méthode traite le phénomène d’encrassement comme
s’il atteignait instantanément un état stationnaire avec une valeur
fixe de résistance thermique, alors qu’il s’agit d’un phénomène
transitoire.
Le tableau 1 donne des valeurs de résistance d’encrassement
issues des tables TEMA pour l’eau et divers fluides industriels.
Nota : pour tenir compte du type d’échangeur utilisé (condenseur, échangeur à
plaques, etc.), on peut utiliser les facteurs correctifs recommandés par le BEAMA (British
Electrical and Allied Manufacturer’s Association).
■ Encrassement côté gaz
Le développement important des unités de récupération d’énergie
sur les fumées provenant de procédés industriels a permis de mettre
en évidence l’importance du problème d’encrassement côté gaz des
échangeurs. On a l’habitude de caractériser les fumées industrielles
suivant trois catégories [Marner-Webb] : gaz propres, gaz moyennement encrassants et gaz fortement encrassants.
Pour chaque catégorie, le tableau 2 présente une synthèse des
informations disponibles concernant la résistance d’encrassement,
la valeur minimale de l’espace entre ailettes et la vitesse maximale
de passage des gaz.
On notera que plus le gaz est encrassant, plus la vitesse des gaz
doit être réduite pour éviter le problème d’érosion des surfaces
d’échange. Cette contrainte favorise donc l’encrassement et contribue à la nécessité de prévoir une méthode de nettoyage.
1.3.3 Valeurs recommandées pour le coefficient
d’excès de surface
Il est souvent indispensable d’évaluer le coefficient d’excès de
surface pour vérifier que celui-ci reste dans les limites acceptables
comme celles mentionnées par Taborek :
— C s ≈ 10 % :
valeur minimale de surdimensionnement
pour prendre en compte l’encrassement ;
— C s ≈ 15 à 25 % : valeurs usuelles pour grand nombre de cas ;
— C s ≈ 30 à 50 % : surdimensionnement extrême à utiliser pour
les cas difficiles et où il y a risque de pénalités sévères si l’échangeur ne réalise pas les
performances.
En aucun cas, le surdimensionnement ne doit dépasser 50 %,
sinon il faut envisager d’autres solutions telles que deux échangeurs en parallèle ou un dispositif de nettoyage en continu.
Exemple montrant comment la présence d’un dépôt encrassant
les tubes d’un échangeur peut entraîner un surdimensionnement
de 37 % de l’appareil.
■ Caractéristiques de l’échangeur :
diamètre intérieur des tubes D i = 19 mm
épaisseur des tubes e = 1,5 mm
conductivité thermique de l’acier : λ = 16,5 W/m · K
fluides : eau boueuse/eau propre
côté intérieur : eau boueuse, h i = 2 000 W/m2 · K
côté extérieur : eau propre, h e = 2 500 W/m2 · K
■ Coefficient d’échange global propre K 0 :
e De
1 De 1
1
------- = ------- + -------- ------ + ----- --------he Di h i λ Dm
K0
soit K 0 ≈ 930 W/m2 · K
■ Prise en compte de l’encrassement : de l’eau boueuse circule à
l’intérieur des tubes. Compte tenu des conditions opératoires
(v > 0,9 m/s et θ < 50 oC), nous choisissons dans le tableau 1 une
résistance thermique d’encrassement i = 0,000 35 m2 · K / W.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
■ Coefficient d’échange global K en conditions encrassantes :
1.4 Prévention de l’encrassement
pendant les phases
de fonctionnement
De
1
1
---- = ------- + i -------Di
K
K0
soit K ≈ 675 W/m2 · K
Les procédés mécaniques ou chimiques de prévention de l’encrassement pendant la phase de fonctionnement de l’échangeur peuvent
améliorer de façon significative les performances de l’appareil, mais
également permettent d’augmenter le temps de service entre deux
arrêts de maintenance. Une revue détaillée de ces diverses techniques est donnée dans l’ouvrage spécialisé sur l’encrassement de
Duffau, Grillot et coll.
■ Coefficient d’excès de surface C s :
Cs =
- 100 = 37 %
---------------K K0 – K
La prise en compte de l’encrassement côté intérieur des tubes va
entraîner un surdimensionnement de la surface d’échange de 37 %.
Cette valeur est importante et le dimensionnement de l’échangeur
pourrait être à reconsidérer avec une résistance thermique d’encrassement plus faible.
■ Procédés mécaniques pour les liquides
Les techniques utilisées pour les liquides sont bien adaptées
lorsque les dépôts sont tendres et friables, avec une résistance de
réentraînement faible.
Diverses techniques sont disponibles sur le marché pour le nettoyage en continu de la surface interne d’échangeurs tubulaires : à
boules, à brosses ou à ressort. Ces procédés nécessitent une filtration en amont de l’échangeur.
Pour les échangeurs à plaques, des procédés analogues ont été
mis au point, mais il est également possible d’utiliser des systèmes
à inversion de débit. Enfin, dans certains cas vraiment extrêmes,
des échangeurs à surface raclée peuvent être utilisés.
(0)
Tableau 1 – Valeurs de résistance thermique d’encrassement (en m2 · K/W) pour l’eau
et d’autres fluides industriels (doc. TEMA)
EAU
jusqu’à 115 oC
Température du fluide chauffant
Température de l’eau
jusqu’à 50
de 115 à 205 oC
oC
au-dessus de 50 oC
Vitesse de l’eau (m/s)
Types d’eau
Eau de mer........................................................................
Eau saumâtre....................................................................
Tour de refroidissement et bassin d’arrosage artificiel :
— produit traité .............................................................
— produit non traité .....................................................
Eau de ville ou de puits ...................................................
Eau de rivière – mini ........................................................
– maxi........................................................
Eau boueuse ou vaseuse.................................................
Eau dure............................................................................
Eau de refroidissement moteur ......................................
Eau distillée ......................................................................
Eau d’alimentation traitée pour chaudières...................
Purges de chaudières ......................................................
< 0,91
> 0,91
< 0,91
> 0,91
0,000 09
0,000 35
0,000 09
0,000 18
0,000 18
0,000 53
0,000 18
0,000 35
0,000 18
0,000 18
0,000 53
0,000 18
0,000 18
0,000 18
0,000 35
0,000 53
0,000 18
0,000 09
0,000 09
0,000 35
0,000 35
0,000 88
0,000 35
0,000 35
0,000 53
0,000 70
0,000 88
0,000 18
0,000 09
0,000 09
0,00 035
0,000 35
0,000 70
0,000 35
0,000 35
0,000 35
0,000 53
0,000 88
0,000 18
0,000 09
0,000 09
0,000 35
0,000 18
0,000 35
0,000 53
0,000 53
0,000 18
0,000 09
0,000 09
0,000 09
0,000 35
FLUIDE INDUSTRIEL
Fuel oil.......................................................................................................................................................
Huile de transformateur ..........................................................................................................................
Huile de lubrifiant pour moteur ..............................................................................................................
Huile de trempe........................................................................................................................................
0,000 88
0,000 18
0,000 18
0,000 70
Liquides réfrigérants................................................................................................................................
Fluides hydrauliques................................................................................................................................
Fluides industriels organiques................................................................................................................
Sels fondus ...............................................................................................................................................
0,000 18
0,000 18
0,000 18
0,000 09
(0)
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 344 − 5
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Tableau 2 – Valeurs conseillées pour le dimensionnement des échangeurs sur fumées industrielles (Warner-Webb)
Nature de l’effluent
Résistance d’encrassement
(m2 · K/ W)
Gaz propre (nettoyage inutile)
Gaz naturel .............................................................................
Propane...................................................................................
Butane.....................................................................................
Turbine à gaz..........................................................................
0,000 088 à 0,000 53
0,000 17 à 0,000 53
0,000 17 à 0,000 53
0,000 17
Gaz moyennement encrassant (nettoyage éventuel)
Fuel no 2 (US) ( % souffre 1 % ) ........................................
Turbine à gaz.........................................................................
Moteur Diesel ........................................................................
0,000 35 à 0,000 70
0,00026
0,00053
Gaz fortement encrassant (nettoyage obligatoire)
Fuel no 6 (US) ( % souffre 4 % ) ........................................
Pétrole brut............................................................................
Pétrole résiduel .....................................................................
Charbon .................................................................................
0,000 53
0,000 70
0,000 88
0,000 88
Espace entre ailettes
(mm)
à 0,001 23
à 0,002 64
à 0,003 52
à 0,008 80
1,3 à 3
1,8
1,8
Vitesse des gaz
(m /s)
30 à 36
3 à 3,8
25 à 30
4,6 à 5,8
5
5
5,9 à 8,6
18 à 24
15 à 21
Exemple du procédé de nettoyage par boules
Le nettoyage de la surface interne des tubes se fait au moyen
d’une circulation permanente (dans certains cas discontinue) de
boules en caoutchouc spongieux. Le procédé consiste à injecter
dans le circuit (figure 3), en amont du faisceau tubulaire, des
boules d’un diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur des tubes.
Le choix du type de boule (diamètre, élasticité, etc.) se fait
d’après le type de surface à traiter, le niveau de température de
fonctionnement (jusqu’à 140 o C) et les conditions hydrodynamiques ; dans certains cas difficiles, les boules peuvent être
recouvertes d’abrasif.
En service, les boules ont une densité très voisine de celle de
l’eau afin de leur assurer une répartition la plus uniforme
possible entre tous les tubes.
Pour des raisons économiques et également techniques, ces
dispositifs ont été principalement montés sur les condenseurs
et échangeurs de chaleur des centrales énergétiques conventionnelles et nucléaires, sur les installations de dessalement
d’eau de mer et les complexes chimiques.
■ Procédés mécaniques pour les gaz
Pour les échangeurs fonctionnant avec des gaz poussiéreux, il
existe différents procédés mécaniques de nettoyage in situ (vapeur,
air comprimé, eau) ou de grenaillage, de soufflage acoustique, etc.
Le procédé à retenir dépend du type de dépôt et de la nature de
la surface d’échange.
■ Procédés chimiques de traitement de l’eau
Il existe un nombre important d’informations concernant l’efficacité des divers traitements chimiques de l’eau, que l’on peut utiliser
pour réduire l’encrassement.
Pour éviter ou minimiser les dépôts entartrants, différents traitements chimiques permettent de lutter avec efficacité : la décarbonatation à la chaux, sur résine ou à l’acide, l’adoucissement, la
germination ou ensemencement, les inhibiteurs d’entartrage.
Les actions destinées à prévenir l’encrassement biologique
consistent soit à détruire les micro-organismes, soit à empêcher
leur développement. Les traitements correspondants utilisent soit
des biocides (le plus utilisé est le chlore), soit des biostats.
B 2 344 − 6
Figure 3 – Procédé de nettoyage en continu par boules
2. Corrosion
La corrosion est la dégradation des matériaux sous l’action du
milieu ambiant. Initialement, le terme corrosion a été utilisé pour
le processus de dégradation des matériaux métalliques par un milieu
agressif. Il a été étendu ultérieurement à la dégradation par un milieu
agressif des matériaux non métalliques. Souvent, dans la littérature
spécialisée, la notion de corrosion est évoquée par le terme résistance chimique ou physico-chimique.
Les mécanismes de dégradation des matériaux métalliques et
non métalliques sont pratiquement toujours différents dans leur
principe mais ils conduisent au même résultat pratique, c’est-à-dire
à la destruction du matériau.
Nota : le lecteur se reportera utilement aux articles Protection contre la corrosion
[Doc. B 2 345] de ce traité.
2.1 Processus de dégradation
La dégradation des matériaux métalliques par un milieu agressif
peut se faire suivant des processus chimiques ou électrochimiques.
■ Corrosion chimique
C’est un processus d’oxydo-réduction entre le métal et le milieu
corrosif qui se déroule conformément à la cinétique chimique. Dans
ce type de corrosion, l’oxydation du métal et la réduction de l’agent
agressif se font au même endroit et sans échange de charges électriques. De même, les produits de corrosion se forment directement
dans la zone corrodée. Ce mode de corrosion concerne notamment
l’oxydation à haute température des métaux et alliages dans l’air
et la corrosion dans des milieux diélectriques (non conducteurs de
courant électrique).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
■ Corrosion électrochimique
Elle est due à l’attaque des métaux par des liquides électroconducteurs. Dans ce cas, le processus de corrosion s’accompagne
d’un courant électrique qui circule à l’intérieur du réseau métallique.
Les zones où se produisent l’oxydation du métal et la réduction du
milieu peuvent être pratiquement confondues ou relativement
éloignées (quelques micromètres à quelques centimètres).
2.2 Différents types de corrosion
Plusieurs cas types de corrosion peuvent être distingués suivant
l’aspect (la morphologie) des dégradations.
■ Corrosion généralisée
La corrosion se produit avec la même vitesse sur toute la surface
du métal en contact avec le milieu agressif. On a l’habitude d’adopter
une surépaisseur de corrosion qui tient compte de la durée de vie
que l’on désire pour l’appareil en fonction de la vitesse de corrosion
(que l’on peut déterminer sur des échantillons).
■ Corrosion localisée
La corrosion se produit avec des vitesses différentes à divers
endroits de la surface du métal ; elle peut présenter les formes
suivantes :
— corrosion par piqûres, localisée dans certains endroits ponctuels ; sur le reste de la surface, le métal n’est pas corrodé ;
— corrosion intercristalline, se manifestant uniquement aux joints
des grains du métal ;
— corrosion sous tension, se produisant dans une zone sollicitée
par une contrainte mécanique. Ce type de corrosion provoque des
fissures perpendiculaires à la direction de la contrainte ;
— fatigue-corrosion ; la fatigue en milieu corrosif conduit à la
fissuration et à la rupture pour un nombre de cycles et une contrainte
bien inférieurs au cas de fatigue en milieu non corrosif ;
— corrosion galvanique, se produisant lorsque deux métaux
différents (ayant un potentiel électrochimique différent) sont en
contact entre eux dans un milieu corrosif. Le contact des deux
métaux forme une pile électrique qui débite un courant provoquant
la corrosion du métal le plus négatif ;
— corrosion caverneuse ; au contact imparfait entre un métal et
un non-métal se forme une fente (caverne) dans laquelle le liquide
stagne. Dans le cas où l’on a affaire à de l’eau ou à une solution
aqueuse, l’oxygène dissous dans l’eau se consomme dans un processus de corrosion. L’eau stagnant dans la fente est ainsi appauvrie
en oxygène et forme avec l’eau ambiante (extérieure) une pile de
concentration ; le courant de cette pile corrode le métal non aéré
par un processus électrochimique ;
— corrosion biologique ; le métal est attaqué par des produits
secondaires dus à la présence de micro-organismes (par exemple,
corrosion par des sulfures provenant de la réduction des sulfates
par des bactéries) ;
— corrosion sélective ; dans un alliage, seul un des composants
est attaqué, ce qui détruit la pièce qui devient poreuse et perd toute
sa résistance mécanique.
Dans les cas réels, la corrosion peut se présenter sous un ou
plusieurs types, ce qui complique le diagnostic.
Le processus de corrosion est influencé par une série de paramètres parmi lesquels on peut citer (sans être exhaustif) les suivants :
— la nature de l’alliage ou du métal ;
— la nature du fluide agressif ;
— les conditions physico-chimiques (température, agitation,
vitesse d’écoulement, etc.) ;
— l’état de surface du métal.
2.3 Protection contre la corrosion
La protection contre la corrosion doit répondre à des sollicitations
complexes et variées du point de vue matériaux, mécanismes,
milieux agressifs, facteurs mécaniques et physico-chimiques, etc. Il
existe une multitude de moyens de lutte contre la corrosion : la très
grande majorité d’entre eux font appel à un des deux modes d’action
suivants :
— action sur le matériau ;
— action sur le milieu agressif.
Dans le premier groupe sont compris :
— l’utilisation des métaux et alliages ou des matériaux non métalliques résistant à la corrosion ;
— les traitements de surface améliorant le comportement global
de la pièce.
Dans le deuxième groupe sont comprises toutes les actions susceptibles de diminuer l’agressivité du milieu ambiant et notamment
l’utilisation d’inhibiteurs de corrosion.
Un groupe à part dans la protection contre la corrosion est
constitué par les méthodes électrochimiques, à savoir la protection
cathodique et la protection anodique.
Étant donné la multitude de cas qui peuvent se présenter, tant en
ce qui concerne le milieu agressif que les matériaux existants, ainsi
que les autres sollicitations auxquelles ils sont soumis, un choix
optimal de la solution de protection est difficile à faire.
Dans la littérature spécialisée, il existe des tables de corrosion qui
indiquent, pour divers cas, le ou les matériaux susceptibles de
résister ; certaines d’entre elles sont maintenant informatisées. Mais
il est hasardeux de faire un choix uniquement à partir de ces tables
puisque, dans le processus de corrosion, intervient une multitude
de facteurs particuliers qui sont propres à chaque cas. Parmi ces
facteurs, on peut citer sans être exhaustifs :
— les contraintes mécaniques variables (fatigue) ou continues ;
— la présence de zones stagnantes ;
— le contact avec d’autres matériaux métalliques ou non
métalliques ;
— les températures locales importantes qui peuvent augmenter
localement la concentration du produit agressif ;
— la présence d’impuretés dans le fluide agressif qui peuvent
augmenter notablement la corrosivité.
En tenant compte de tous les paramètres propres au cas considéré,
le choix peut être facilité par des considérations plus larges
concernant la résistance des divers matériaux par rapport à un fluide
ou à une classe de fluides agressifs.
3. Vibrations
Les vibrations constituent un paramètre essentiel à prendre en
compte dans la conception d’un échangeur, au même titre que les
transferts de chaleur ou les pertes de charge. Outre les aspects classiques (chocs, spectre de vibrations) issus du milieu extérieur, les
échangeurs induisent leurs propres vibrations sous l’effet du fluide
qui les parcourt. Ce paragraphe traite essentiellement des efforts
dynamiques dus au fluide et à leur répercussion sur les tubes dans
un échangeur de type tubes et calandre ; cet aspect vibratoire est
peu ou pas rencontré dans les autres échangeurs.
Suivant la vitesse d’écoulement du fluide côté calandre, les tubes
qui vibrent à leurs fréquences propres peuvent se déplacer suffisamment pour entrer en collision. Il s’ensuit un phénomène de
fatigue pouvant aller jusqu’à la fuite ou la rupture.
L’essentiel du travail consiste à évaluer les paramètres intrinsèques aux tubes (fréquences propres, amortissement), les caractéristiques hydrauliques du fluide côté calandre, et à analyser le
couplage fluide/ tubes.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 344 − 7
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
3.1 Caractéristiques vibratoires des tubes
3.1.1 Fréquences de résonance
Les principales configurations de tubes rencontrées sont : les
tubes droits et les tubes coudés en U. Ces tubes sont considérés
comme encastrés à chacune de leurs extrémités au niveau des
plaques ; ils peuvent s’appuyer sur des chicanes.
■ Dans le cas d’un tube droit supporté ou encastré aux extrémités,
les fréquences de résonance sont bien connues :
Xn
F n = --------------2
2πL
avec
EI
-------M
E (N/m2) module d’Young du matériau du tube,
Fn (Hz)
n ieme fréquence,
I (m4)
inertie du tube,
L (m)
longueur entre deux fixations,
M (kg/m) masse linéique du tube,
Xn
nombres dépendant du type de liaison aux extrémités.
Les calculs effectués dans [Lalanne, Berthier et coll.] donnent (0)
:
Type de liaison aux
deux extrémités
Xn
X1
X2
X3
X4
X5
encastré - libre
3,516
22,03
61,69
120,9
199,8
appuyé - appuyé
9,869
39,47
88,82
157,9
246,7
encastré à chaque
extrémité libre-libre
22,370
61,67
120,90
199,8
298,5
encastré - appuyé
libre - appuyé
15,410
49,96
104,20
178,2
272,0
En conditions réelles, les tubes sont supportés par les chicanes.
Le calcul fait intervenir leur espacement et leur nombre. Des solutions sont proposées par les standards de dimensionnement [TEMA].
Pour un espacement non régulier des supports, la méthode est
approchée. Sa précision est estimée à 30 % par valeur inférieure.
■ Dans le cas d’un tube en U, la fréquence la plus basse peut être
associée à un mode de vibration hors du plan du U. La méthode de
calcul n’est plus aussi simple.
Le standard TEMA donne toutefois la fréquence minimale de
résonance :
Cu
EI
F 1 = 0,040 3 -------2- -------M
R
avec
Cu
coefficient dépendant de la distance des supports à la
partie coudée (figure 4).
Les particularités à prendre en compte pour le calcul de la masse
linéique du tube (M ) et de sa raideur (E I ) sont détaillées ci-après.
Les méthodes approximatives de prédiction des fréquences de
résonance peuvent actuellement être avantageusement remplacées par des calculs exacts, de type éléments finis par exemple, à
la portée des micro-ordinateurs.
● Méthode de calcul de la masse du tube
La masse linéique est composée de trois termes : la masse du
tube, la masse du fluide côté tube et une certaine masse du fluide
côté calandre. Si les deux premiers termes sont simples à calculer
et ne prêtent pas à discussion, il n’en est pas de même pour la
masse ajoutée du fluide côté calandre qui se calcule comme suit :
— dans le cas d’un tube à section circulaire isolé dans un fluide,
la masse ajoutée est :
M = ρS
B 2 344 − 8
Figure 4 – Détermination du coefficient Cu
en fonction de la distance des supports à la partie coudée (HEDH)
ρ masse volumique du fluide côté calandre,
2
S surface du tube πD e 4 ;
— plus généralement, pour d’autres sections de tubes isolés ou
non, la masse ajoutée s’écrit :
avec
M = X ρS
avec, dans le cas de faisceaux de tubes cylindriques, en fonction du
pas adimensionné p /D :
(0)
p /D
X
1,25
2,95
1,5
2
Correction de raideur due à l’effort axial
La raideur de flexion du tube peut être modifiée par les efforts
axiaux de traction ou de compression. Ces efforts peuvent être dus
à la dilatation thermique des tubes ou à la pression sur la plaque
support dans le cas d’une tête flottante. L’influence sur la fréquence
de résonance est donnée par la formule suivante :
●
F nc = F n
avec
P
2
PL
1 + ------------2
π EI
effort axial sur un tube en valeur algébrique (+ en traction,
– en compression).
On peut noter qu’en compression la fréquence devient nulle pour
la charge de flambage du tube. Cependant, en pratique, dans la prise
en compte du flambage possible du tube, on limite la baisse de
fréquence envisageable (30 % par exemple pour un coefficient de
sécurité de 2 sur la charge maximale de flambage).
La différence de pression entre tubes et calandre peut jouer le
même rôle que les efforts axiaux. Ce cas est plus rarement rencontré.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
3.1.2 Réponse vibratoire d’un système
Les notions de masse et de raideur qui permettent de déterminer
les fréquences de résonance décrivent un système conservatif. Pour
une excitation entretenue à ces fréquences, les efforts et déplacements deviennent infinis. En pratique, le système est dissipatif
compte tenu de divers phénomènes :
— amortissement interne du matériau ;
— frottement et chocs sur les supports ;
— amortissement visqueux dû au fluide.
L’amortissement global qui en résulte ne peut pas être prédit théoriquement. Tout au plus peut-il être évalué dans certaines configurations. Un faisceau de tubes d’un échangeur constitue sur ce point
un exemple très complexe. Le nombre suivant, appelé amortissement critique, est utilisé :
C
ε = ---- E I M
2
avec
C
E I et M
coefficient de frottement visqueux,
caractéristiques du système résonnant.
Soumis à un déplacement initial sans autres forces appliquées,
le mouvement de la structure dépend de la valeur de ε :
ε < 1 mouvement sinusoïdal amorti ;
ε > 1 mouvement à décroissance exponentielle sans oscillations.
Mais ce paramètre est peu interprétable et on utilise souvent le
décrément logarithmique δ tel que :
ln δ = An /An + 1
A n et A n + 1 étant l’amplitude de deux oscillations successives.
Dans le cas le plus courant où ε 1, on a δ = 2 π ε
Un autre paramètre très utilisé est le facteur de surtension, représentant l’amplification due à la résonance vue par les tubes :
1
Q = ------2ε
pour ε 1
Les valeurs recommandées [HEDH] pour le dimensionnement
d’échangeurs sont les suivantes, selon le type de fluide dans la
calandre (avec ε 1) :
δ = 0,03 et Q = 100
pour un gaz :
pour un liquide : δ = 0,1 et Q = 30
Ces valeurs sont conservatives et doivent prévenir tous
dommages.
3.2 Vibrations induites par le fluide
et couplage fluide/tubes
3.2.1 Vibrations dues au sillage (vortex)
Ce type de régime se caractérise par une instationnarité de l’écoulement qui produit à l’aval du tube des tourbillons alternés.
Leur fréquence augmente avec la vitesse du fluide. Le paramètre
caractéristique est le nombre de Strouhal :
Fs D h
S = --------------u
D h diamètre hydraulique,
Fs
fréquence des tourbillons,
u
vitesse du fluide côté calandre.
S peut être considéré comme constant dans une large gamme
de valeurs du nombre de Reynolds :
avec
S = 0,2
On peut donc aisément calculer la fréquence F s . La coïncidence
entre les fréquences des tourbillons du fluide et de vibration des
tubes amène un phénomène de résonance, les efforts ainsi produits
pouvant occasionner des dommages.
La présentation ci-avant suppose une totale indépendance entre
les phénomènes fluide et tubes. Dans la réalité, les tubes étant assez
souples, ils peuvent influer sur la fréquence des tourbillons. Le mouvement des tubes amène la fréquence normale des tourbillons à
coïncider avec celle des tubes ; on parle alors d’accrochage. Pour
éviter ce problème, il est conseillé de respecter un écart relatif de
20 % minimum entre les fréquences du fluide et les fréquences des
tubes.
3.2.2 Vibrations dues à la turbulence (buffeting )
Les fluctuations de pression dues à un écoulement ne sont pas,
en général, déterministes. On parlera donc en termes probabilistes.
L’environnement aléatoire peut être spécifié par une densité spectrale de puissance, c’est-à-dire par une énergie fluctuante moyenne
pour une fréquence donnée. Les tubes répondent de manière
préférentielle à leur fréquence de résonance en amplifiant la
sollicitation ; ils filtrent les autres fréquences.
Les efforts induits sur les tubes peuvent être estimés pour un
spectre connu. Celui-ci est difficile à mesurer expérimentalement.
Il est en général à large bande et de type passe-bas. Si les efforts
induits sont inévitables, on peut les diminuer en :
— augmentant la fréquence des tubes ;
— augmentant l’amortissement ;
— diminuant la vitesse du fluide.
3.2.3 Instabilité fluide/tubes
Le phénomène d’instabilité est provoqué par un mouvement du
tube en orbite autour de son centre, dont la cause est la combinaison
des forces hydrodynamiques avec le rappel élastique du tube.
L’instabilité se produit quand l’énergie reçue par le tube ne peut
pas être dissipée par amortissement. Connors a développé une
méthode de prédiction de ce phénomène qui utilise les groupements adimensionnels suivants :
uc
paramètre de vitesse critique
v r = ---------------Fn D h
paramètre d’amortissement
avec
Mδ
A r = ------------2
ρDh
Dh
diamètre hydraulique,
Fn
M
fréquence propre du tube,
masse linéique du tube,
uc
δ
ρ
vitesse critique du fluide,
décrément logarithmique,
masse volumique du fluide.
La figure 5 donne la variation de v r en fonction de A r , d’après
une compilation de résultats publiés [HEDH]. On peut remarquer la
dispersion des résultats, mais les points peuvent être approchés de
manière conservative par la relation :
vr = 4 Ar
pour 200 < Re < 100 000
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 344 − 9
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Exemple d’un échangeur air-air ayant les dimensions suivantes :
pour les tubes de diamètre : D e = 14 mm, D i = 11 mm
d’épaisseur : 1,5 mm
de pas : p = 22 mm
de matériau : carbure de silicium
avec E = 420 000 MPa,
ν = 0,3 et ρ = 3 200 kg/m3
pour la calandre de diamètre : D c = 200 mm
de distance entre chicanes : b = 160 mm
de fluide : air à la pression atmosphérique, avec :
à l’entrée, θ = 20 oC et ρ = 1,2 kg/m3
à la sortie, θ = 400 oC et ρ = 0,524 kg/m3
pour un débit q = 0,12 kg/s
■ Vitesse débitante du fluide côté calandre
Figure 5 – Représentation adimensionnelle des principaux
résultats publiés : v r en fonction de A r (HEDH)
3.2.4 Vibrations acoustiques
Ce problème n’apparaît qu’en présence de gaz dans la calandre.
En effet, ce milieu étant de nature compressible, il présente des fréquences de résonance. Leur valeur se détermine simplement par :
c
F n = --------2L
avec
c
L
vitesse du son dans le gaz,
dimension caractéristique de la calandre perpendiculairement aux tubes et à l’écoulement (diamètre de
la calandre).
Les fréquences acoustiques peuvent être excitées par la turbulence, ce qui génère du bruit. Si un élément de l’échangeur (les tubes
par exemple) présente une fréquence propre coïncidante, alors le
bruit généré peut s’avérer destructeur.
On évitera donc la coïncidence par un écart de 20 % entre ces
fréquences.
3.3 Recommandations
Après avoir passé en revue les différents mécanismes physiques
à éviter, rappelons ici les marges de sécurité usuellement retenues
[Mukherjee] :
— vis-à-vis de l’instabilité fluide/tubes, la vitesse du fluide côté
calandre devra être inférieure de 20 % à la vitesse critique ;
— pour les vibrations dues aux tourbillons de sillage et à la
turbulence, il est prudent de respecter un écart de 50 % avec la
fréquence de résonance du tube ;
— pour les problèmes acoustiques, on s’assurera d’un écart d’au
moins 20 % entre la fréquence des tourbillons et celle du fluide
compressible côté calandre.
q
u = ----------------ρ Dc b
d’où
---------------p–D p
e
u entrée = 8,6 m/s
u sortie = 20 m /s
■ Inertie du tube
masse linéique du tube :
2
2
π D e – D i M = ρ -------------------------------- = 0,188 4 kg/m
4
masse du fluide intérieur : négligeable
masse ajoutée du fluide extérieur : négligeable
inertie de flexion du tube :
4
4
π D e – D i –9 4
I = ------------------------------- = 1,166 × 10 m
64
■ Fréquence de vibration du tube
Xn
F 1 = ----------------2
2πb
9,869
EI
-------- = ---------------------------2
M
2 π ( 0,16 )
d’où F1 ≈ 3 130 Hz
pas de correction due à l’effort axial.
■ Fréquence de vortex
Su
F s = -------Dh
avec S = 0,2
8,6 < u < 20 m/s
d’où 122 < Fs < 285 Hz
et pas de risque d’accrochage entre Fs et F 1 .
Toute solution technologique visant à empêcher les débattements excessifs voire les chocs entre tubes est bénéfique. Citons
entre autres :
— les plaques intermédiaires entre chicanes, qui rendent solidaires les tubes entre eux et réduisent leur porte-à-faux ;
— l’introduction de matériaux absorbeurs d’énergie entre les
tubes au milieu des chicanes ; ces matériaux empêchent le contact
direct et limitent les débattements par dissipation d’énergie.
B 2 344 − 10
11
–9
4,2 × 10 × 1,166 × 10
------------------------------------------------------------------0,188 4
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
■ Instabilité fluide/tubes
paramètre de vitesse critique :
paramètre d’amortissement :
uc
v r = --------------F1 Dh
Mδ
A r = ------------2
ρDh
Calcul de A r : δ = 0,03 pour un gaz
0,188 4 × 0,03
= 24
A r = -------------------------------------------–3 2
1,2 ( 14 × 10 )
d’où
en considérant
v r = 4 A r (figure 5)
on obtient v r = 20
et :
u c = v r F1D h = 876,4 m/s
La vitesse critique étant très supérieure à la vitesse du fluide, il n’y
a pas de risque d’instabilité.
■ Vibrations acoustiques
c
F 1 = -----------2 Dc
avec
c =
1,4 p atm
---------------------ρ
340 < c < 516 m/s
d’où 850 < F 1 < 1 300 Hz
Il n’y a pas de concordance entre la fréquence du tube et la fréquence acoustique.
4. Aspects réglementaires
4.1 Application aux échangeurs
de chaleur de la réglementation
sur les appareils à pression
D’une manière générale, les échangeurs thermiques sont des
appareils composés de deux capacités distinctes séparées l’une de
l’autre par une cloison conductrice de la chaleur, de forme plus ou
moins complexe, souvent tubulaire, offrant au passage de la chaleur
une étendue aussi grande que possible et activant la convection.
La réglementation sur les appareils à pression qui s’applique aux
échangeurs de chaleur n’est pas sensiblement différente de celle à
laquelle sont soumis les autres appareils à pression composés
d’une seule enceinte. Le primaire et le secondaire des échangeurs
sont soumis indépendamment l’un de l’autre à la réglementation.
En d’autres termes, les dispositions réglementaires s’appliquent
à chacune des capacités d’un échangeur et non pas globalement à
l’appareil dans son ensemble ; il arrive d’ailleurs qu’une seule de
ces capacités, le primaire ou le secondaire, soit soumise à la réglementation.
Dans sa forme actuelle, cette réglementation sur les appareils à
pression découle de la loi du 28 octobre 1943 modifiée le 23 février
1960, et comprend principalement deux règlements en date du 2 avril
1926 et du 18 janvier 1943 (désignés, dans la suite du présent document, règlements de 1926 et de 1943). À cet égard, il convient de
noter que le primaire et le secondaire d’un échangeur peuvent fort
bien être soumis à des règlements différents.
Plusieurs arrêtés ministériels ont été pris en application de ces
deux règlements dans le but de les compléter.
Enfin, de nombreuses circulaires et instructions ministérielles
explicitent les règlements et leurs textes d’application.
■ Enceintes soumises au règlement de 1926
● Le décret du 2 avril 1926, modifié en dernier lieu le 19 décembre
1983, classe les appareils qui y sont soumis en trois catégories
dénommées canalisation, générateur et récipient :
— est considérée comme une canalisation toute enceinte dont le
rôle principal est de permettre le passage d’un fluide d’un appareil
à un autre ; des transformations physiques ou chimiques ne peuvent
y avoir lieu qu’à titre accessoire ;
— est considéré comme un générateur, tout appareil dans lequel
de l’énergie thermique est apportée à un liquide ou à une vapeur
en vue de l’utilisation de l’énergie et éventuellement du fluide
lui-même ; par exception, l’appareil n’est pas considéré comme
générateur si l’énergie qu’il reçoit est apportée par un fluide
provenant lui-même d’un autre générateur soumis au règlement de
1926 ;
— est considérée comme un récipient toute enceinte qui n’appartient ni à un générateur, ni à une canalisation.
Il en résulte que pour un échangeur de chaleur tel que défini plus
haut :
— le primaire est toujours un récipient, puisque par définition
aucune énergie n’est apportée au fluide qu’il contient ;
— le secondaire est soit un générateur, soit un récipient, suivant
que l’énergie apportée au fluide qu’il contient l’est en vue ou non
de l’utilisation de cette énergie ; a priori, toutefois, le secondaire
devrait être considéré comme un récipient dans la majorité des cas.
● Dans ce cadre sont soumis aux dispositions du règlement de
1926 (tableau 3) :
— les générateurs et récipients de vapeur d’eau, autres que les
cylindres et enveloppes de machines à vapeur, dont la pression effective de la vapeur peut dépasser 0,5 bar et dont la contenance est
supérieure à 25 L pour les générateurs et à 100 L pour les récipients ;
toutefois, ne sont pas considérés comme des récipients de vapeur
les récipients contenant avec de la vapeur d’eau une vapeur ou un
gaz autre qu’un gaz inerte, lorsque la pression effective totale peut
excéder 4 bar ;
— les générateurs et récipients d’eau surchauffée, y compris les
récipients pouvant recevoir à la fois de l’eau surchauffée et un autre
fluide sous pression, dont la contenance est supérieure à 25 L pour
les générateurs et à 100 L pour les récipients et lorsque la température maximale de l’eau peut excéder 110 oC ;
— les générateurs utilisant un fluide autre que l’eau, dont la
température d’ébullition sous la pression atmosphérique normale
est inférieur à 400 oC, lorsque les conditions suivantes sont simultanément remplies :
• la contenance du générateur est supérieure à 25 L,
• la température du fluide peut excéder 120 oC,
• la pression effective de la vapeur produite ou susceptible de se
produire peut excéder 1 bar.
(0)
■ Enceintes soumises au règlement de 1943
Sont soumis au décret du 18 janvier 1943, modifié en dernier lieu
le 13 octobre 1977, les appareils métalliques de production, d’emmagasinage ou de mise en œuvre de gaz comprimés, liquéfiés ou
dissous, ou de vapeurs ou de liquides surchauffés sous pression,
lorsque la pression effective de la phase gazeuse peut excéder 4 bar,
et que le produit de la pression effective maximale exprimée en bars
par la contenance exprimée en litres excède le nombre 80 (tableau 3).
Le règlement de 1943 n’est cependant pas applicable aux enceintes
soumises à tout ou partie des dispositions du règlement de 1926.
■ Arrêtés ministériels pris en application
des règlements de 1926 et de 1943
Bon nombre des conditions de construction, d’établissement et
d’usage auxquelles sont soumis les appareils à pression réglementée ne sont pas prescrites par les décrets du 2 avril 1926 ou du
18 janvier 1943, mais par des arrêtés ministériels pris en application
de ces règlements.
On trouvera dans le tableau 4 une liste des principaux arrêtés
ministériels susceptibles de concerner les échangeurs de chaleur.
(0)
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
B 2 344 − 11
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Tableau 3 – Enceintes soumises aux règlements
de 1926 et 1943
Règlement de 1926
Générateurs et récipients de vapeur d’eau :
p > 0,5 bar et V > 25 L (générateur) ou 100 L (récipient), sauf
récipients contenant aussi un gaz non inerte, lorsque p > 4 bar
Générateurs et récipients d’eau surchauffée :
θ > 110 oC et V > 25 L (générateur) ou 100 L (récipient)
Générateurs de vapeur autre que l’eau :
θ ébullition < 400 oC
V > 25 L
θ > 120 oC
p > 1 bar
Règlement de 1943
Appareils métalliques de production, d’emmagasinage ou de mise
en œuvre de gaz comprimés, liquéfiés ou dissous, ou de vapeurs
ou de liquides surchauffés sous préssion si :
p > 4 bar
pV > 80 bar · L
Sont exclues les enceintes soumise au règlement de 1926.
Tableau 4 – Principaux arrêtés ministériels
susceptibles de concerner les capacités
des échangeurs de chaleur
Date
Date
de la dernière
de l’arrêté
modification
Titre
23/07/1943
14/12/1989
Réglementation des appareils
de production, d’emmagasinage
ou de mise en œuvre des gaz
comprimés, liquéfiés ou dissous.
27/04/1960
14/12/1989
Application de la réglementation
sur les appareils à pression aux
installations de production
ou de mise en œuvre du froid.
Réglementation des générateurs
et récipients d’eau surchauffée.
18/09/1967
12/12/1967
26/09/1969
–
02/07/1976
22/06/1982
Soupapes de sûreté des appareils
à pression de vapeur.
24/03/1978
24/11/1987
Réglementation de l’emploi
du soudage dans la construction
et la réparation des appareils
à pression.
05/10/1981
24/11/1982
Régime d’épreuve et de visite
de certains récipients à vapeur
ou à eau surchauffée soumis à l’application du décret du 2 avril 1926.
20/10/1982
–
Visites réglementaires des appareils
à vapeur.
Appareils à pression de vapeur
à haute température.
L’attention du lecteur est attirée plus particulièrement sur deux de
ces arrêtés :
— celui du 23 juillet 1943 dans lequel on trouve la plupart des
conditions auxquelles sont soumises les capacités des échangeurs
de chaleur qui relèvent du règlement de 1943 ;
B 2 344 − 12
— celui du 24 mars 1978 qui réglemente l’emploi du soudage dans
la construction et la réparation des appareils à pression.
■ Recueil des textes
La loi du 18 octobre 1943, les règlements de 1926 et de 1943, les
arrêtés ministériels pris en application de cette loi et de ces règlements, les circulaires et instructions publiées au Journal Officiel,
ainsi que certaines circulaires et instructions récentes non publiées
dans cette revue, sont rassemblés dans trois fascicules publiés par
le Journal Officiel sous les références 1498.I, 1498.II et 1498.III.
4.2 Réglementation en matière
de construction d’échangeur de chaleur
Le principe fondamental des règlements de 1926 et de 1943, en
matière de construction des appareils à pression, est que le choix
des matériaux employés, leur mise en œuvre, la constitution des
assemblages, la détermination des formes, dimensions et épaisseurs sont laissés à l’appréciation du constructeur, sous réserve des
dispositions prescrites par la réglementation. Cette option délibérée
pour une réglementation à caractère libéral est motivée par le souci
principal de ne pas s’opposer aux progrès techniques qui trouvent
surtout leur source dans les initiatives privées.
Le constructeur conserve donc toute liberté et pourtant garde la
responsabilité entière de son travail, sauf en ce qui concerne
quelques règles suffisamment confirmées par l’expérience acquise,
et qui font l’objet de dispositions réglementaires restrictives.
L’ensemble de ces dispositions réglementaires s’est toutefois accru
avec le temps, mais laisse encore une très grande latitude de choix
au constructeur.
4.3 Règles de qualification ou d’essais
des échangeurs de chaleur.
Normes européennes
Dans le cadre de l’ouverture du Marché unique le 1er janvier 1993,
l’Union européenne a décidé d’harmoniser les différents documents
existants, en ce qui concerne aussi bien les règles de procédure, de
qualification ou d’essais que la définition des matériels, et de définir
des normes européennes, notamment dans le domaine des échangeurs de chaleur.
L’institution européenne spécialisée dans la normalisation est le
Comité Européen de Normalisation (CEN).
Chaque pays industrialisé s’est généralement doté de règles
propres qui peuvent être en accord ou non avec celles des autres
pays. C’est ainsi que nous disposons, entre autres, en Europe de
normes :
AFNOR (France)
NORDTEST (Finlande)
DIN (Allemagne)
ou de recommandations élaborées par plusieurs pays de type
Eurovent.
C’est ainsi que le Comité Européen de Normalisation a établi les
normes suivantes concernant les échangeurs de chaleur (cf. Pour
en savoir plus [Doc. B 2 345]) :
— terminologie : ENV 247
— essais : ENV 305, 306, 308, 327, 328, 1048, 1117, 1148
— maintenance : ENV 307.
Une fois adoptées, ces normes européennes sont intégralement
reprises en normes nationales par les comités membres des pays
de l’Union européenne.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
P
O
U
R
Échangeurs de chaleur
par
E
N
André BONTEMPS
Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Alain GARRIGUE
Université Joseph Fourier. Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Charles GOUBIER
Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie,
Département Génie thermique et Énergie (Grenoble)
Jacques HUETZ
Directeur de Recherche émérite au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),
Professeur à l’École Centrale de Paris
Christophe MARVILLET
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
Pierre MERCIER
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
et
Roland VIDIL
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble.
Tous ces auteurs font partie du Groupement pour la Recherche
sur les Échangeurs thermiques (GRETh).
8 - 1995
Bibliographie
Doc. B 2 345
S
A
V
O
I
R
Ouvrages généraux
Description des échangeurs
KERN (D.Q.). – Process heat transfer. Éd.
McGrawHill, New York (1965).
CHISHOLM (D.). – Heat exchanger technology.
Applied Science Publishers Ldt, Londres (1980).
MAC ADAMS (W.H.). – Transmission de la chaleur.
Éd. Dunod, Paris (1961).
TEMA. – Standard of the Tubular Exchanger Manufacturer Association, 6e éd. (1978).
KREITH (F.). – Transmission de chaleur et thermodynamique. Éd. Masson, Paris (1967).
LEONTIEV (A.). – Théorie des échanges de chaleur
et de masse. Éd. MIR, Moscou, édition originale
de 1979, traduction française de 1985.
SACADURA (J.F.). – Initiation aux transferts thermiques. Éd. Tech. et Doc., Paris (1982) réédition
1993.
VIDIL (R.), GRILLOT (J.M.), MARVILLET (C.),
MERCIER (P.) et RATEL (G.). – Les échangeurs à
plaques : Description et éléments de dimensionnement. Collection Échangeurs de chaleur,
2e éd. Lavoisier, sept. 1990.
HUETZ (J.) et PETIT (J.P.). – Notions de transfert
thermique par convection. Éd. Techniques de
l’Ingénieur, traité Génie énergétique A 1 540,
août 1990.
CHAUDOURNE (S.). – Caloducs. Éd. Techniques de
l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 9 545,
avril 1997.
AZBEL (D.). – Heat transfer application in process
engineering. Noyes Publication Park Ridge,
New Jersey (1985).
SIMONSON (J.R.). – Engineering heat transfer. Éd.
McMillan Education Ltd, Houndmills (UK)
(1988).
SHAH (R.K.). – Industrial heat exchangers. Von
Karman Institute for Fluid Dynamics. Lecture
series 1991-04, classification of heat exchangers,
27-31 mai 1991.
Heat Exchangers Design Handbook : 3.7 Plate heat
exchangers. Éd. Hemisphere Publishing Corporation (1983).
KAYS (W.M.) et LONDON (A.L.). – Compact heat
exchangers. Éd. McGraw-Hill (1964).
PEZE (A.). – L’échangeur platulaire dans les procédés. Informations Chimie no 291, janv.-fév. 1988.
HOLGER (M.). – Heat exchangers. Éd. Hemisphere
Publishing Corporation, Washington (1992).
LEROY (J.). – Les échangeurs à plaques Alfa-Laval :
une technologie en mutation. Informations
Chimie no 291, janv.-fév. 1988.
BAILLY (M.) et NAVARRO (M.). – Présentation des
échangeurs à films. Conférence ATEE : Quoi de
neuf sur les échangeurs de chaleur ?, Martigues,
mai 1988.
ROUSSEL (M.). – Les récupérateurs de chaleur
air-air. Éd. SEDIT, Paris (1980).
LELEU (R.). – Calcul et construction des évaporateurs à film ruisselant. Colloque international :
La technique du film appliqué aux opérations
du génie chimique, IFP, 27-28 avril 1983.
HEILMANN (W.) et HAGEMEISTER (K.). – Die
Entwicklung von Gasturbinen kleiner leistung
mit regenerativen Wärmetauschern in der MTV.
MTZ 38 5, p. 209-11 (1977).
HOLMES (R.C.) et PERRY (J.H.). – Chemical engineering handbook. 3e éd. McGraw-Hill (1974).
PERRY (J.H.) et CHILTON (C.H.). – Chemical engineering handbook. 5e éd. McGraw-Hill (1974).
Heat Exchange Institute. – Standards for steam surface condensers, 6e éd. New York (1970).
LEVY (W.). – Condenseurs par surface dans les centrales thermiques. Éd. Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 1 540, mai
1990.
VERDU (J.). – Vieillissement des plastiques.
AFNOR, Technique. Éd. AFNOR diffusion
Eyrolles (1984).
DERONZIER (J.C.) et LAURO (F.). – Les échangeurs
de chaleur en matière plastique. Collection
Échangeurs de chaleur, diffusion Lavoisier,
sept. 1989.
LAURO (F.) et HUYGHE (J.). – Utilisation des
matières plastiques comme surface d’échange
de chaleur pour économiser l’énergie dans les
procédés industriels de concentration par évaporation. Revue Physique Appliquée 17-1982,
p. 617-623.
FRAAS (A.P.). – Heat exchanger design. Éd. John
Wiley (1984).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Doc. B 2 345 − 1
P
L
U
S
P
O
U
R
E
N
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Dimensionnement thermique
BELL (K.). – Exchanger design based on the
Delaware research program. Petro. Chem. Engineer, oct. 1960.
BELL (K.). – Final report of the cooperative research
program on shell and tube heat exchangers.
University of Delaware, janv. 1963.
KAKAC (S.), BERGLES (A.E.) et MAYINGER (F.). –
Heat exchangers thermohydraulic fundamentals and design. Éd. Hemisphere Publishing
Corporation, New York (1981).
THONON (B.). – Étude et optimisation de la distribution du fluide dans un échangeur de chaleur
à plaques. Thèse à l’université de Nancy (1991).
MERCIER (P.) et RATEL (G.). – Dimensionnement
des échangeurs à tubes et calandre, le logiciel
CETUC. Revue générale de Thermique no 313,
janv. 1988.
VIDIL (R.), RATEL (G.) et GRILLOT (J.M.). – Thermal
hydraulic performances of plate and frame heat
exchangers. The CEPAJ software. Eurotherm
seminar, Hambourg mars (1991).
AMBLARD (A.). – Comportement hydraulique et
thermique d’un canal plan corrugué. Application aux échangeurs de chaleur à plaques.
Thèse INP Grenoble (1986).
HUGONNOT (P.). – Étude locale de l’écoulement et
performances thermohydrauliques à faible
nombre de Reynolds d’un canal plan corrugué.
Applications aux échangeurs de chaleur à
plaques. Thèse à l’université de Nancy (1989).
MUELLER (A.C.) et CHIOU (J.P.). – Review of
various flow maldistribution in heat exchangers. Heat Transfer Engineering, vol. 9, p. 36-50
(1988).
EDWARDS (M.F.) et al. – The flow distribution in
plate heat exchanger. First nat. conf. on heat
exchanger, the Institution of Chemical Engineers (UK) (1984).
FOCKE (W.W.) et al. – The effect of corrugation inclination angle on the thermohydraulic performances of a plate heat exchanger. Int. J. of Heat
and Mass Transfer, vol. 28, p. 1 469-1 478
(1985).
BASSIOUNY (M.K.) et MARTIN (H.). – Flow distribution and pressure drop in plate heat exchanger.
Chemical Engineering Science, vol. 39,
p. 693-704 (1984).
KANDIKAR (S.G.) et SHAH (R.K.). – Multipass plate
heat exchanger. Effectiveness NTU results and
guidelines for selecting pass arrangements.
Trans. of ASME, J. of Heat Transfer, vol. 111,
p. 300-313 (1989).
BAJURA (R.A.) et JONES (E.H.). – Flow distribution
in Manifolds. Trans. of ASME, J. of Fluid Engineering, p. 654-666, déc. 1976.
THONON (B.), MERCIER (P.) et FEIDT (M.). – Flow
distribution in plate heat exchangers and
consequences on thermal and hydraulic performances. Eurotherm seminar, Hambourg, mars
1991.
PALEN (J.W.) et TABOREK (J.). – Solution of shell
side flow pressure drop and heat transfer by
stream analysis method. Chemical Engineering
Progress Symposium Series, Philadelphie,
oct. 1960.
HIRT (C. W.), NICHOLS (B.D.) et ROMERO (N.C.). –
SOLA : a numerical solution algorithm for transient fluid flows. Los Alamos, rapport no 5 852
(1975).
GRAND (D.), MENANT (B.), MERCIER (P.) et VILLAND (M.). – Numerical modelling of heat
exchanger of LMFBR. IARH meeting, Lausanne
(1987).
MENANT (B.), MERCIER (P.) et VILLAND (M.). –
Logiciel de thermohydraulique TRIO-VF. Applications aux échangeurs de chaleur. Revue générale de Thermique no 340, avril 1990.
Doc. B 2 345 − 2
COEFFE (Y.) et TODREAS (N.). – Formulation of the
fluid-solid interaction force for multi-dim. Two
phase flow within tube arrays. Nuclear Engineering and Design, p. 383-391 (1980).
VIOLLET (P.L.). – Sur la modélisation des écoulements dans des faisceaux de tubes ou
contenant des inclusions dispersées. IARH meeting, Lausanne (1987).
DOMINGOS (J.D.). – Analysis of complex assemblies of heat exchangers. Int. J. Heat Mass
Transfer. 12, p. 537-548 (1968).
Intensification des échanges
ROBINSON (H.) et BRIGGS (D.E.). – Pressure drop
of air flowing across triangular pitch banks of
finned tubes. CEP Symp. Series no 64, vol. 62,
p. 177-188 (1966).
JOSHI (H.M) et WEBB (R.L.). – Prediction of heat
transfer and friction in the offset strip fin array.
Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 30, no 1, p. 69-84
(1987).
DAVENPORT (C.J.). – Correlations for heat transfer
and flow friction caracteristics of lourered fins.
Heat Transfer. Seattle 1983. AIChE Symp. Series
no 225, vol. 79, p. 19-27 (1983).
BRIGGS (D.E.) et YOUNG (E.H.). – Convection heat
transfer and pressure drop of air flowing across
triangular pitch banks of finned tubes. Chem.
Eng. Progr. Symp. Series no 41, vol. 59, p. 1-10
(1983).
RABAS (T.J.). – The effect of fin density on the heat
transfer and pressure drop performance of low
finned tube banks. ASME paper no 80-HT-97
(1980).
ACHAICHA (A.A.) et COWELL (T.A.). – Heat transfer
and pressure drop characteristics of flat tube
and lourered plate fin surfaces. Experimental
thermal and fluid Science, p. 147-157 (1987).
GRAY (D.L.) et WEBB (R.L.). – Heat transfer and friction correlations for plate fin and tube heat
exchangers having plain fins. Heat Transfer,
vol. 6, p. 2 745-2 750 (1986).
UTTAWAR (S.B.) et RAJA RAO (M.). – Turbulent
flow friction and heat transfer characteristics of
single spirally enhanced tubes. J. Heat Transfer,
vol. 107, p. 930-935 (1985).
KUMAR (R.) et JUDO (R.L.). – Heat transfer with
coiled wire turbulence promotors. Canad. J.
Chem. Eng., vol. 48, p. 378-383 (1970).
HONG (S.W.) et BERGLES (A.E.). – Augmentation of
laminar flow heat transfer in tubes by means of
twisted tape inserts. J. Heat Transfer, vol. 91,
p. 434-442 (1969).
THORSEN (R.) et LANDIS (F.). – Friction and heat
transfer characteristics in turbulent swirl flow
subjected to large transverse temperature
gradients. J. Heat Transfer, vol. 90, p. 87-89
(1968).
SETHUMADHAVAN (R.) et RAJA RAO (M.). – Turbulent flow friction and heat transfer characteristics of single and multistart spirally enhanced
tubes. J. Heat Transfer, vol. 108, p. 55-61 (1986).
WEBB (R.L.). – Heat transfer and friction in tubes
with repeated rib roughness. Int. J. Heat Mass
Transfer, vol. 14, p. 601-617 (1971).
SHAH (M.M.). – A new correlation for heat transfer
during boiling flow through pipes. ASHRAE
Transactions, vol. 22 (1976).
YlLMAZ (S.) et WESTWATER (J.W.). – Effect of
commercial enhanced surfaces on the boiling
heat transfer curve. Advances in enhanced Heat
Transfer. ASME (1981).
GAMBILL (W.R.) et GREENE (N.D.). – Heat transfer
and pressure drop for water in swirl flow tubes
with internal twisted tape. Chem. Eng. Prog.,
vol 54, no 10, p. 68-76 (1958).
KIMURA (H.) et ITO (M.). – Boiling heat transfer and
pressure drop in internal spiral-grooved tubes.
Bulletin of JSME, vol. 24, no 195, p. 1 602-1 607
(1981).
Problèmes de fonctionnement
et aspects réglementaires
Encrassement
EPSTEIN (N.). – Fouling in heat exchangers. Fouling
of heat transfer equipment. Éd. Somerscales
EFC. Knudsen JG., p. 701, Hemisphere
Washington DC (1981).
GUDMUNSSON (J.S.). – Particule fouling, idem
p. 357.
EPSTEIN (N.). – Fouling : technical aspects, idem
p. 31
LECONTE (J.). – Protection contre la corrosion. Éd.
Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique A830, nov. 1981.
NALCO water Handbook. Éd. McGraw-Hill Book
Company. Mémento technique de l’eau, société
DEGREMONT.
FROMENT (G.F.). – Fouling of heat transfer surfaces
by coke formation in petrochemical reactor.
Fouling of heat transfer equipment. Éd.
Somerscales EFC. Knudsen JG., p 411 Hemisphere Washington DC (1981).
LUND (D.) et SANDHU (C.). – Chemical reaction fouling due to foodstuffs, idem p. 437.
BEAMA. – Recommanded practice for the design of
surface type steam, condensing plans. British
Electrical and Allied Manufacturer’s Association. Publi. no 222 (1967).
MARNER (J.) et WEBB (R.L.). – Worshop on an
assesment of gas-side fouling in fossing fuel
exhaust environment. DOE/ID/12138-1, juil.
1982.
TABOREK (J.), AOKI (T.), RITTER (R.B.), PALEN
(J.W.) et KNUDSEN (J.G.). – Fouling : the major
unresolved problem in heat transfer. Chem.
Eng. Prog. vol. 68, no 2, avril 1972.
DUFFAU (C.), GRILLOT (J.M.), NAVARRO (J.M.) et
VIDIL (R.). – L’encrassement dans les échangeurs : description, prévention. Collection
Échangeurs de chaleur, diffusion Lavoisier, réédition fév. 1991.
Corrosion
Corrosion basics. National Association of Corrosion Engineers, 360 pages (1984).
UHLIG (H.). – Corrosion et protection (traduction
d’un ouvrage allemand). Éd. Dunod (1970).
PLUDEK (R.). – Design and corrosion control. Éd.
Mac Millan Press Ltd (1977).
LAQUE (F.L.) et COPSON (H.R.). – Corrosion resistance of metals and alloys. Reinhold Publishing
Corporation (1963).
MAURIN (A.). – Manuel anticorrosion. Éd. Eyrolles
(1961).
BLIEM (C.), LANDINI (D.J.) et FEDERER (J.L.). –
Ceramic heat exchanger, ceramic corrosion
evaluation. Éd. Noyes Publications (1985).
SEYMOUR (R.). – Plastics corrosives. A Wiley
Interscience Publication, Éd. John Wiley and
Sons.
Vibrations
LALANNE (M.), BERTHIER (P.) et DER-HAGOPIAN
(J.). – Mécanique des vibrations linéaires. Éd.
Masson (1980).
HEDH, Mechanical Design of Heat Exchanger.
Hemisphere, révision 1987.
CONNORS (H.J.). – Fluid elastic vibration of heat
exchanger tube arrays. Trans. ASME, J. Mech.
Des., vol. 100, no 2, p. 347-353.
MUKHERJEE (R.). – Use double segmental baffles
in shell and tube heat exchangers. Chemical
Eng. Progress, nov. 1992.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
______________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR
Normalisation
Normes européennes
ENV 247
ENV 1118
Échangeurs thermiques. Terminologie (E 38-320, déc. 1990).
Ce document donne une terminologie des échangeurs thermiques permettant l’utilisation de termes cohérents. Elle a été
établie à partir d’une analyse des critères fondamentaux relatifs
à la conception, la réalisation et le mode d’exploitation des
échangeurs thermiques.
ENV 305
ENV 306
Échangeurs thermiques. Méthodes de mesurage des paramètres
nécessaires à l’évaluation des performances (E 38-322,
déc. 1990).
Ce document indique les méthodes et la précision de mesurage
de la température, de la pression, de la qualité et du débit-masse
de divers fluides et spécifie la mesure de la perte d’énergie mécanique d’un échangeur thermique.
ENV 307
Échangeurs thermiques. Guide de préparation des notices d’installation, de fonctionnement et de maintenance nécessaires au
maintien des performances de tous les types d’échangeurs thermiques (E 38-323, déc. 1990).
ENV 308
Échangeurs thermiques. Procédures d’essai pour la détermination de la performance des récupérateurs de chaleur air/air et
air/gaz (E 38-324, déc. 1991).
Ce document décrit les méthodes d’essais communes en laboratoire des récupérateurs de chaleur air/air ou utilisant des produits
de combustion des installations de chauffage dans le domaine du
batiment (à l’exclusion des applications de process), en vue de
déterminer leurs caractéristiques de fonctionnement. Sont spécifiées les exigences et procédures pour leur exécution ainsi que
les conditions initiales permettant de vérifier les caractéristiques
de fonctionnement indiquées par le fabriquant.
ENV 327
ENV 328
Échangeurs thermiques. Échangeurs eau/eau pour le chauffage
urbain. Procédures d’essais pour la détermination des performances (E 38-331, déc. 1993).
Ce document s’applique aux appareils fabriqués en série pour les
appareils de chauffage urbain et son objet est de définir un essai
type.
ENV 1397
Échangeurs thermiques. Ventiloconvecteurs à eau. Procédures
d’essais pour la détermination des performances (E 38-332,
déc. 1994).
Ce document s’applique aux ventiloconvecteurs utilisant de l’eau
ou des mélanges à base d’eau chaude ou glacée.
Normes françaises
Association Française de Normalisation AFNOR
NF E 38-200 4.87
Pompes à chaleur et échangeurs thermiques. Appareils
pour la récupération d’énergie sous forme d’eau chaude
à partir des équipements frigorifiques.
NF E 51-702 7.85
Composants de ventilation mécanique contrôlée. Code
d’essais aérauliques et thermiques des récupérateurs de
chaleur et des centrales monoblocs de récupération à
échangeurs statiques à double flux.
NF E 51-703 6.81
Composants de ventilation mécanique contrôlée. Code
d’essais aérauliques et thermiques des récupérateurs de
chaleur à échangeur rotatif.
National Testing Institute of Sweden
Methods of measuring the parameters necessary for establishing the performance.
Normes finlandaises
NT-VVS-021 1983
Heat recovery units. External leakage.
Ce document s’applique aux appareils isolés fonctionnant avec un
fluide réfrigérant (primaire). Son but est de définir des méthodes
d’essais uniformes.
NT-VVS-022 1983
Heat recovery units. Internal leakage.
NT-VVS-023 1983
Heat recovery units. Air flow capacity.
NT-VVS-024 1983
Heat recovery units. Temperature efficiency.
NT-VVS-025 1983
Heat recovery units. Functioning at low outdoor temperatures.
MET-84-24
Air to air heat recovery units. Test methods.
Échangeurs thermiques. Procédures d’essai pour la détermination de la performance des aérofrigorifères à convection forcée
(E 38-326, nov. 1992).
Échangeurs thermiques. Refroidisseurs de liquide à convection
forcée. Batteries froides. Procédures d’essais pour la détermination des performances (E 38-327, août 1993).
Échangeurs de chaleur. Condenseurs à eau. Procédures d’essai
pour la détermination des performances (E 38-328, avril 1994).
Ce document s’applique aux condenseurs à eau qui fonctionnent
avec un fluide frigorigène.
E
N
S
A
V
O
I
R
Normes suédoises
NORDTEST
Ce document s’applique aux refroidisseurs de liquide à convection forcée pour lequel n’intervient pas de changement de phase.
ENV 1117
ENV 1148
Échangeurs thermiques. Procédures d’essai pour la détermination de la performance des aérocondenseurs à convection forcée
(E 38-325, avril 1991).
Ce document s’applique aux appareils utilisant soit l’expansion
directe d’un fluide frigorigène, soit un fluide frigoporteur. Son but
est de préciser une méthode unique. Il ne concerne pas les
aérofrigorifères à convection naturelle.
ENV 1048
Ce document s’applique aux refroidisseurs de liquides fabriqués
en série qui fonctionnent avec un fluide frigorigène.
Échangeurs thermiques. Définitions de la performance des échangeurs thermiques et procédure générale d’essai pour la détermination de la performance de tous les échangeurs thermiques
(E 38-321, déc. 1990).
Ce document donne les termes généraux et la méthodologie de
calcul à utiliser pour déterminer les caractéristiques de performances des échangeurs thermiques. Il inclut des considérations
théoriques et un mode opératoire d’essai général.
Échangeurs de chaleur. Refroidisseurs de liquides. Procédures
d’essais pour la détermination des performances (E 38-329,
avril 1994).
P
O
U
R
Normes allemandes
EUROVENT
10/1
1986
Récupérateurs de chaleur. Définitions, terminologie, classification et caractéristiques de fonctionnement.
10/2
1986
Récupérateurs de chaleur. Méthodes d’essais pour dispositifs de récupération de chaleur destinés aux systèmes
de traitement d’air.
7/3
1986
Réchauffeurs d’air et refroidisseurs d’air à écoulement
forcé. Règles d’essai relatives avec échangeurs thermiques.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique
Doc. B 2 345 − 3
P
L
U
S
P
O
U
R
E
N
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S
ÉCHANGEURS DE CHALEUR ______________________________________________________________________________________________________________
Laboratoires et organismes
Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME)
Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA)
Armines (Association de recherches), Centre de Mise en Forme des matériaux (CEMEF)
Laboratoire d’Énergétique Moléculaire et Macroscopique et de Combustion
(EM2C), de l’École Centrale de Paris
Centre de thermique de l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
(CETHIL)
Laboratoire d’Études Thermiques (LET), de l’École Nationale Supérieure de
Mécanique et d’Aérotechnique de Poitiers (ENSMA)
Centre National du Machinisme Agricole, du Génie Rural, des Eaux et des
Forêts (CEMAGREF)
Laboratoire de Thermocinétique, de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur en
Thermique, Énergétique et Matériaux (ISITEM)
Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques (CETIAT)
Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM)
Laboratoire de Thermodynamique, Moteurs et Propulsion (Serpong,
Indonésie) (LTMP)
Électricité de France (EDF), Direction des Recherches
Laboratoire des Transferts Thermiques (LTT), de l’université de Pau
Groupement pour la Recherche sur les Échangeurs Thermiques (CENG)
(GRETh)
Laboratoire des Systèmes Énergétiques et Transferts Thermiques (SETT), de
l’université de Provence (IUSTI), Institut universitaire des Systèmes Thermiques Industriels)
Heat Transfer and fluid Flow Service (HTFS)
Heat Transfer Research Incorporation (HTRI)
Laboratoire Fluides, Automatique, Systèmes Thermiques (FAST), de l’université de Paris Sud, Paris XI
Institut de Mécanique des Fluides, de l’Institut National Polytechnique de
Toulouse (INPT)
National Engineering Laboratory (NEL)
Institut Français du Pétrole (IFP)
Service Universitaire d’Énergétique (SUE), de l’université de Reims
Vereinigung der Technischen Uberwachungs Verein (VDTUV)
Institut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE)
Uniclima Union syndicale des constructeurs de matériels aérauliques, thermiques, thermodynamiques et frigorifiques
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Fabricants
(liste non exhaustive)
Acova
Mannesmann Carnoy
ASET Appareils Spéciaux d’Échangeurs de Température
Microturbo
Barriquand
Niro Kestner
Brown Fintube
Nordon Cryogénie
BTT Batignolles Technologies Thermiques
Packinox
Calor
Secan
Carrier
SEPR Sté Européenne des Produits Réfractaires
Cepic
Setrem
Chaffoteaux et Maury
Spirec
CIAT Cie Industrielle d’Applications Thermiques
Tétra Laval, Division Alfa-Laval SNC
DATE Développement et Applications des Techniques de l’Énergie
Thermi-consult
Elm Leblanc
Tréfimétaux
Friga Bohn
Valéo Thermique Habitacle
GEC Alsthom Delas
Valinox Welded
GEC Alsthom Stein Industries
Vicarb
GES-GEA Ergé Spirale
Vulcanic
Hamon Lummus
Ziemann-Secathen
Le Carbone Lorraine
Doc. B 2 345 − 4
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique