Côté tubes ou côté calandre ? Comment répartir les fluides dans un échangeur tubulaire
Décider quel fluide circule dans les tubes et lequel passe côté calandre est l'un des premiers choix dans la conception d'un échangeur tubulaire. Il influe sur le prix, les matériaux, la façon de nettoyer l'appareil et sa durée de vie. Les acheteurs laissent souvent ce choix au fournisseur, mais l'acheteur sait en général ce que le fournisseur ignore : quel fluide encrasse, lequel est corrosif, comment l'usine nettoie ses équipements et ce qui se passe si les deux fluides fuient l'un dans l'autre.
Cet article résume les règles pratiques utilisées par les ingénieurs, montre où elles se contredisent et liste ce qu'il faut dire à un fournisseur pour que la répartition de l'offre convienne à votre usine. Le catalogue de produits de ce site comprend des échangeurs tubulaires à plaques tubulaires fixes, à tubes en U, à tête flottante et à presse-étoupe. Pour un projet précis, envoyez les données des deux fluides via le formulaire de demande de devis.
1. Les règles habituelles en un coup d'œil
Le tableau combine deux références très utilisées : les règles de répartition des fluides du Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6 de Sinnott, et la chronique d'Andrew Sloley sur le choix du bon côté dans Chemical Processing. Toutes deux soulignent qu'il s'agit de lignes directrices, pas de lois.
| Situation | Côté habituel | Pourquoi |
|---|---|---|
| Pression plus élevée | Côté tubes | Des tubes de petit diamètre tiennent la haute pression avec moins de métal qu'une grande calandre ; des tubes haute pression coûtent moins cher qu'une calandre haute pression |
| Fluide corrosif | Côté tubes | Seuls les tubes, les plaques tubulaires, les boîtes et les fonds ont besoin de l'alliage coûteux ; un fluide corrosif côté calandre impose l'alliage pour tout l'échangeur |
| Fluide encrassant | Côté tubes | Les tubes droits se nettoient plus facilement que le côté calandre, et la vitesse dans les tubes peut rester élevée, ce qui limite l'encrassement |
| Température élevée | Côté tubes | Si la température impose des alliages spéciaux, il en faut moins ; à température modérée, une calandre plus froide demande moins de calorifuge |
| Vapeur | Côté calandre | Une vapeur a un grand volume et un faible coefficient d'échange ; le côté calandre offre plus de section de passage et moins de perte de charge |
| Fluide qui se condense | Côté calandre, le plus souvent | Prudence avec les mélanges qui se condensent sur une large plage de température |
| Liquide visqueux | Côté calandre, si l'écoulement est turbulent | Les chicanes créent de la turbulence à faible nombre de Reynolds ; Sinnott situe la limite turbulente côté calandre vers Re 200 |
| Débit plus faible | Côté calandre | Sinnott note que c'est normalement la conception la plus économique |
L'eau de refroidissement est l'exemple classique. Elle encrasse et peut être corrosive, elle passe donc normalement dans les tubes, où ceux-ci peuvent être nettoyés et réalisés dans un meilleur matériau sans renchérir tout l'échangeur.
2. La perte de charge : là où les références divergent
Sur la perte de charge, les deux références vont dans des directions opposées. Sinnott écrit qu'à perte de charge égale, le côté tubes donne un coefficient d'échange plus élevé, et que le fluide dont la perte de charge admissible est la plus faible doit donc passer dans les tubes. Sloley écrit qu'un fluide à faible perte de charge admissible doit passer côté calandre, parce que la découpe, l'espacement et le type des chicanes peuvent être choisis pour respecter presque n'importe quelle limite, et que les services sous vide sont presque toujours côté calandre.
Leçon pratique : quand la perte de charge admissible dicte la conception, aucune règle ne tranche. Demandez au fournisseur de calculer les deux répartitions et comparez la surface, la perte de charge et le prix.
3. Le type de construction change la réponse
Les règles ci-dessus supposent que les deux côtés peuvent être nettoyés. Cela dépend de la construction de l'échangeur.
| Construction | Effet sur la répartition |
|---|---|
| Plaques tubulaires fixes | Le faisceau ne peut pas être extrait, le côté calandre ne peut donc pas être nettoyé mécaniquement. Selon Sloley, des plaques tubulaires fixes imposent un fluide propre côté calandre, sauf si l'encrassement s'élimine facilement par voie chimique. Un grand écart de température entre calandre et tubes peut aussi exiger un joint de dilatation |
| Tubes en U | Le faisceau peut être extrait, le côté calandre peut donc être nettoyé. L'intérieur des tubes en U se nettoie plus difficilement que des tubes droits ; un fluide encrassant passe donc parfois côté calandre, avec des mesures comme des chicanes hélicoïdales |
| Tête flottante | Les deux côtés peuvent être nettoyés et le faisceau extrait, pour un coût plus élevé |
La répartition et la construction doivent donc être décidées ensemble. Si votre usine ne peut nettoyer que par circulation chimique, dites-le ; si elle peut nettoyer les tubes au jet haute pression mais n'a pas la place d'extraire un faisceau, dites-le aussi.
4. Quand les règles se contredisent
Dans les services réels, deux règles poussent souvent dans des directions opposées. Quelques cas courants :
- Fluide propre à haute pression contre eau encrassante à basse pression. La pression envoie le fluide propre dans les tubes ; l'encrassement y envoie l'eau. La réponse dépend du niveau de pression, de la vitesse d'encrassement de l'eau et du mode de nettoyage prévu.
- Fluide visqueux qui encrasse aussi. Le côté calandre donne un meilleur échange, mais son nettoyage exige un faisceau extractible et une disposition des tubes qui ménage des couloirs de nettoyage. Sloley avertit aussi qu'une forte perte de charge côté calandre peut provoquer des by-pass autour des chicanes et des vibrations des tubes.
- Fluide qui risque de se solidifier. Sloley conseille d'éviter un échangeur tubulaire si le risque de solidification est élevé. S'il faut en utiliser un, placer ce fluide dans les tubes permet d'extraire et de remplacer un faisceau bouché.
Quand le cas n'est pas clair, demandez au fournisseur de chiffrer et de calculer les deux répartitions. L'écart de surface et de coût est souvent plus faible que prévu, et voir les deux options rend le compromis visible.
5. Deux cas courants
Réchauffeurs vapeur. La vapeur qui se condense passe en général côté calandre, et le fluide de procédé dans les tubes. Le côté calandre doit alors avoir une bonne évacuation des condensats et un évent pour les incondensables. Pour les questions de condensats et de calage communes à tous les réchauffeurs vapeur, voir notre guide sur les échangeurs à plaques en service vapeur.
Refroidisseurs à eau. L'eau de refroidissement passe dans les tubes et le fluide de procédé côté calandre. Avec de l'eau de mer, le matériau des tubes devient la décision principale ; voir la liste de contrôle des échangeurs marins et à eau de mer.
6. Si les deux fluides ne doivent jamais se mélanger
La répartition seule n'empêche pas une fuite. Si un fluide ne doit jamais entrer dans l'autre, par exemple parce qu'ils réagissent ou qu'un produit ne doit pas être contaminé, abordez le sujet avec le fournisseur dès le départ. Deux mesures courantes sont la double plaque tubulaire et une règle de pression. Une double plaque tubulaire laisse une fuite au niveau des liaisons tube-plaque s'échapper vers l'extérieur au lieu de passer dans l'autre fluide ; elle n'aide pas si la paroi d'un tube cède, donc demandez aussi au fournisseur comment il traite ce cas, par exemple par le matériau et l'épaisseur des tubes, les essais d'étanchéité et l'inspection. Maintenir le fluide le plus critique à une pression plus élevée fait que toute fuite, y compris à travers la paroi d'un tube, s'écoule à partir de lui et non vers lui.
7. Ce qu'il faut dire au fournisseur
| Pour chaque fluide | Pourquoi c'est important |
|---|---|
| Pression de service et pression de calcul | Détermine quel côté doit tenir la pression |
| Température de service et température de calcul | Détermine les matériaux, le calorifuge et la dilatation thermique |
| Débit et perte de charge admissible | Détermine les vitesses et la conception des chicanes |
| Tendance à l'encrassement, solides et résistance d'encrassement si elle est connue | Détermine quel côté doit être nettoyable |
| Composants corrosifs, par exemple chlorures, H2S ou acides | Détermine quel côté a besoin de l'alliage |
| Viscosité sur toute la plage de température | Détermine si la turbulence côté calandre est possible |
| Changement de phase | Condensation ou ébullition, et sur quelle plage de température |
| Méthode de nettoyage sur site | Mécanique, jet haute pression ou chimique, et place pour extraire un faisceau |
| Conséquence d'une fuite | Besoin ou non d'une double plaque tubulaire ou d'une règle de pression |
Demandez au fournisseur d'indiquer sur la feuille de données quel fluide passe de quel côté et pourquoi, et de signaler toute règle qu'il a choisi de ne pas suivre. Voir aussi quelles données envoyer avant un devis d'échangeur de chaleur et la liste de contrôle des fabricants d'échangeurs tubulaires.
8. Ce que cela signifie pour les acheteurs
La plupart des choix de répartition suivent quelques règles simples : la pression, la corrosion et l'encrassement envoient en général un fluide dans les tubes, tandis que les vapeurs, les fluides qui se condensent, les liquides visqueux et les faibles débits passent en général côté calandre. Le type de construction et les méthodes de nettoyage disponibles sur site peuvent changer cette réponse, et certaines règles, comme celle sur la perte de charge, dépendent de la conception précise. Il est plus simple de travailler avec un fournisseur qui justifie sa répartition par écrit, et calcule l'autre option quand le cas est serré, qu'avec un fournisseur qui se contente de remplir une feuille de données.
Sources et pages associées
- Andrew Sloley, « Shell-and-Tube Heat Exchanger: Pick the Right Side », Chemical Processing, 2013 : https://www.chemicalprocessing.com/processing-equipment/fluid-handling/article/11340603/shell-and-tube-heat-exchanger-pick-the-right-side-chemical-processing
- R. K. Sinnott, Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design, section sur la répartition des fluides (calandre ou tubes)
- Échangeurs tubulaires sur HeatEx Direct : https://heatexdirect.com/fr/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger
- Guide de choix entre échangeur à plaques et tubulaire sur HeatEx Direct : https://heatexdirect.com/fr/industry-news/posts/plate-heat-exchanger-vs-shell-and-tube-selection-guide