b2344

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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 344 − 1
B 2 344 2 - 1995
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. Encrassement............................................................................................ B 2 344 - 2
1.1 Classification : différents types d’encrassement....................................... — 2
1.2 Apparition et développement de l’encrassement..................................... — 3
1.3 Dimensionnement des échangeurs avec prise en compte
de l’encrassement........................................................................................ — 3
1.4 Prévention de l’encrassement pendant les phases
de fonctionnement ...................................................................................... — 5
2. Corrosion.................................................................................................... — 6
2.1 Processus de dégradation........................................................................... — 6
2.2 Différents types de corrosion ..................................................................... — 7
2.3 Protection contre la corrosion .................................................................... — 7
3. Vibrations................................................................................................... — 7
3.1 Caractéristiques vibratoires des tubes....................................................... — 8
3.2 Vibrations induites par le fluide et couplage fluide/tubes........................ — 9
3.3 Recommandations....................................................................................... — 10
4. Aspects réglementaires ......................................................................... — 11
4.1 Application aux échangeurs de chaleur de la réglementation
sur les appareils à pression ........................................................................ — 11
4.2 Réglementation en matière de construction d’échangeur de chaleur.... — 12
4.3 Règles de qualification ou d’essais des échangeurs de chaleur.
Normes européennes.................................................................................. — 12
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 345

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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 rencon-
trés 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 documenta-
tion 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 inter-
face, 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.
■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.

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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 pré-
vention 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 trai-
tements 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 trai-
tement 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 pétro-
chimique (craquage thermique des hydrocarbures lourds), l’indus-
trie 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’inté-
rieur 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 trans-
fert 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).
■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’entar-
trage, 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.
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.
■Transfert des particules à la paroi
Il peut être contrôlé par la diffusion turbulente, l’impaction iner-
tielle 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) résis-
tance(s) thermique(s) supplémentaire(s) qui s’oppose(nt) au flux
de chaleur transféré.
Figure 1 – Représentation schématique des phases de dépôt
et de réentraînement de l’encrassement dans le cas d’un liquide
Figure 2 – Résistances thermiques d’encrassement des dépôts
interne et externe localisés sur une surface d’échange

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Le coefficient d’échange global K (rapporté à la surface exté-
rieure) est donné par :
Le premier terme du dernier membre de l’équation représente la
résistance thermique globale de l’échangeur propre 1/K0 et les
deux derniers les résistances thermiques des dépôts externe et
interne ; le rapport De/Di concerne la correction de surface néces-
saire pour rapporter à la surface extérieure les résistances élémen-
taires (dans le cas d’une tuyauterie cylindrique, De/Di est le
rapport des diamètres ou des rayons et Dm le diamètre moyen).
Par ailleurs, la prise en compte de l’encrassement se traduit par
un excès de surface caractérisé par le coefficient Cs défini par :
avec S0 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 ∆TML = K0S0∆TML
Le coefficient d’excès de surface s’exprime alors par :
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’encras-
sement 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 asympto-
tique d’encrassement mais de valeurs conduisant à un surdimen-
sionnement 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 ther-
mique avec les variables du procédé telles que la vitesse, la tem-
pérature 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 ;
— 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 moyen-
nement 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 contri-
bue 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 :
—Cs ≈ 10 % : valeur minimale de surdimensionnement
pour prendre en compte l’encrassement ;
—Cs ≈ 15 à 25 % : valeurs usuelles pour grand nombre de cas ;
—Cs ≈ 30 à 50 % : surdimensionnement extrême à utiliser pour
les cas difficiles et où il y a risque de péna-
lités 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 échan-
geurs en parallèle ou un dispositif de nettoyage en continu.
1
K
----
1
he
--------
De
Di
-------- 1
h
i
-------
e λ ----- D e
D
m
----------
++
e D e D
i
-------- i
++==
1 K0
=
CsSS
0
–
S0
-----------------  100
=
CsK0K–
K
------------------ 
100 =
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/m
2
· K
côté extérieur : eau propre, h
e
= 2 500 W/m
2
· K
■ Coefficient d’échange global propre K
0
:
soit K
0
≈
930 W/m
2
· 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
o
C), nous choisissons dans le tableau 1 une
résistance thermique d’encrassement = 0,000 35 m
2
· K / W.
1
K0
------- 1
he
-------
De
Di
-------- 1
h
i
------
e λ ----- D e
D
m
---------
++=
i

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−
5
1.4 Prévention de l’encrassement
pendant les phases
de fonctionnement
Les procédés mécaniques ou chimiques de prévention de l’encras-
sement 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 tech-
niques est donnée dans l’ouvrage spécialisé sur l’encrassement de
Duffau, Grillot et coll.
■ 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 net-
toyage en continu de la surface interne d’échangeurs tubulaires : à
boules, à brosses ou à ressort . Ces procédés nécessitent une filtra-
tion 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)
(0)
■ Coefficient d’échange global K en conditions encrassantes :
soit K
≈ 675 W/m
2
· K
■ Coefficient d’excès de surface C
s
:
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’encrasse-
ment plus faible.
1
K
---- 1
K0
-------
i
D
e
D
i
--------
+=
CsK0K–
K
-----------------
100 37 % ==
Tableau 1 – Valeurs de résistance thermique d’encrassement (en m
2
· K/W) pour l’eau
et d’autres fluides industriels (doc. TEMA)
EAU
Température du fluide chauffant jusqu’à 115
o
C de 115 à 205
o
C
Température de l’eau jusqu’à 50
o
C au-dessus de 50
o
C
Types d’eau Vitesse de l’eau (m/s)
< 0,91 > 0,91 < 0,91 > 0,91
Eau de mer........................................................................ 0,000 09 0,000 09 0,000 18 0,000 18
Eau saumâtre.................................................................... 0,000 35 0,000 18 0,000 53 0,000 35
Tour de refroidissement et bassin d’arrosage artificiel :
— produit traité............................................................. 0,000 18 0,000 18 0,000 35 0,000 35
— produit non traité ..................................................... 0,000 53 0,000 88 0,000 70
Eau de ville ou de puits ................................................... 0,000 18 0,000 18 0,000 35 0,000 35
Eau de rivière – mini ........................................................ 0,000 35 0,000 18 0,000 35 0,000 35
– maxi........................................................ 0,000 53 0,000 18 0,000 53 0,000 35
Eau boueuse ou vaseuse................................................. 0,000 53 0,000 35 0,000 70 0,000 53
Eau dure............................................................................ 0,000 18 0,000 53 0,000 88 0,000 88
Eau de refroidissement moteur ...................................... 0,000 09 0,000 18 0,000 18 0,000 18
Eau distillée ...................................................................... 0,000 09 0,000 09 0,000 09 0,000 09
Eau d’alimentation traitée pour chaudières................... 0,000 09 0,000 09 0,000 09 0,000 09
Purges de chaudières ...................................................... 0,000 35 0,000 35 0,00 035 0,000 35
FLUIDE INDUSTRIEL
Fuel oil....................................................................................................................................................... 0,000 88
Huile de transformateur .......................................................................................................................... 0,000 18
Huile de lubrifiant pour moteur .............................................................................................................. 0,000 18
Huile de trempe........................................................................................................................................ 0,000 70
Liquides réfrigérants................................................................................................................................ 0,000 18
Fluides hydrauliques................................................................................................................................ 0,000 18
Fluides industriels organiques................................................................................................................ 0,000 18
Sels fondus............................................................................................................................................... 0,000 09