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RÉSUMÉ
Les principaux problèmes de fonctionnement 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 impactent le dimensionnement des appareils et leur durée de vie, et induisent des surcoûts (énergie, arrêt des installations). Les phénomènes vibratoires doivent être pris en compte dans le dimensionnement des échangeurs au même titre que les transferts de chaleur ou les pertes de charge. Les problèmes de tenue mécanique sont, pour les géométries les plus classiques, traités dans divers textes réglementaires basés sur la normalisation européenne. Enfin, le fonctionnement des échangeurs en régime transitoire peut répondre à de nouveaux types de fonctionnement (sources de chaleur intermittentes) ou tester leur capacité à subir des variations de régime.
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Heat exchanger main operating problems are due to fouling, corrosion, vibration and mechanical strength phenomena. Corrosion and fouling remain the most misunderstood phenomena in the industrial field. They impact sizing and aging of the equipment, and induce overheads (energy, shutdowns). Vibration resistance must be taken into account in heat exchanger design together with heat transfer and pressure loss. Mechanical strength problems are, for most common geometries, solved by applying various regulatory texts based on European standardization. Finally, transient state in heat exchanger can deal with new kind of operation (unsteady heat sources) or check their ability to bear variable operating conditions.
Auteur(s)
-
Patrice CLÉMENT : Conseiller scientifique CEA/DRT/LITEN/DTS/LETH Grenoble
INTRODUCTION
Les 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.
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 s'est mise en place depuis les années 2000.
L'ensemble Échangeurs de chaleur fait l'objet de plusieurs articles :
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MOTS-CLÉS
vibrations Encrassement Corrosion Réglementation Chauffage Refroidissement mécanique des fluides Chimie des fluides Interactions fluide-paroi
KEYWORDS
vibrations | fouling | corrosion | standards and codes | heating | cooling | fluids mechanics | fluids chemical | fluid-wall interactions
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Aspects réglementaires
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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 types 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. Il y a également des possibilités d'interactions des tubes avec les chicanes, et au niveau des jonctions avec les plaques tubulaires.
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.
3.1 Caractéristiques vibratoires des tubes
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 :
( 7 )
avec :
- E :
- (N/m2) module d'Young du matériau du tube,
- Fn :
- (Hz) ne...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DEMASLE (H.), MERCIER (P.), TOCHON (P.) - Guide de l'encrassement des échangeurs de chaleur. - Édition GRETH (2007).
-
(2) - EPSTEIN (N.) - Fouling in heat exchangers. Fouling of heat transfer equipment. - Éd. Somerscales EFC, KNUDSEN (J.G.), Hemisphere Washington, DC, p. 701 (1981).
-
(3) - GUDMUNSSON (J.S.) - Particulate fouling. - Idem, p. 357.
-
(4) - EPSTEIN (N.) - Fouling : technical aspects. - Idem, p. 31.
-
(5) - NALCO - Water handbook. - Éd. McGraw-Hill Book Company (2009).
-
(6) - Société DEGREMONT - Mémento technique de l'eau. - Éditions Lavoisier (2005).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Heat Exchanger Fouling and Cleaning VII , Schladming, Austria, 14-19 juin (2009) – A lieu tous les deux ans.
HAUT DE PAGE
Normes européennes
NF EN 247 (12-97), Échangeurs thermiques. Terminologie Ce document donne une terminologie des échangeurs thermiques permettant des 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
NF EN 305 (11-97), Échangeurs thermiques. Définition de la performance des échangeurs thermiques et procédure générale d'essai pour la détermination de la performance de tous les échangeurs thermiques 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...
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