Échangeur de chaleur à calandre et à tubes | Certifié ASME | Acier inoxydable

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à calandre et à tubes (STHE) ?

Un échangeur de chaleur à calandre et à tubes (STHE) est le type d'échangeur de chaleur le plus largement utilisé dans les applications industrielles en raison de sa robustesse, de sa polyvalence et de sa capacité à gérer des pressions et des températures élevées. Il se compose d'une calandre (une grande cuve sous pression) avec un faisceau de tubes à l'intérieur. Un fluide s'écoule à travers les tubes (côté tube) et l'autre s'écoule à l'extérieur des tubes à l'intérieur de la calandre (côté calandre). La chaleur est transférée entre les deux fluides à travers les parois des tubes.

Les STHE sont régis par deux normes clés :

1. Code des chaudières et des appareils à pression ASME (BPVC), Section VIII, Division 1 : Assure la sécurité des appareils à pression.

2. Normes TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) : Définit la conception mécanique, les tolérances et les pratiques de fabrication.

Détails techniques clés selon ASME et TEMA

1. Normes de conception

ASME BPVC Section VIII, Div. 1 :

-Couvre la conception des limites de pression (calandre, plaques tubulaires, collecteurs).

-Nécessite des calculs pour l'épaisseur minimale, le renforcement des buses et les essais hydrostatiques.

Normes TEMA (Classes R, C, B) :

-Classe R : Applications sévères de raffinage et de procédés (pressions/températures élevées).

-Classe C : Service commercial/industriel général.

-Classe B : Service de procédés chimiques (environnements corrosifs).

2. Composants et configuration

Exemple de désignation TEMA :

AES :

-A : Tête avant (couvercle boulonné).

-E : Calandre à un passage.

-S : Tête arrière flottante (faisceau traversant).

3. Conception thermique

Puissance thermique (Q) : Q=U⋅A⋅ΔTLMTD​

-U: Coefficient global de transfert de chaleur (W/m²·K).

-A: Surface de transfert de chaleur (OD du tube × longueur × nombre de tubes).

-ΔTLMTD​: Différence de température moyenne logarithmique (corrigée pour la disposition de l'écoulement).

Dispositions d'écoulement :

-Contre-courant : Efficacité thermique la plus élevée.

-Écoulement parallèle : Plus simple mais moins efficace.

-Écoulement transversal : Courant dans les condenseurs.

Méthode efficacité-NTU :
-Utilisée pour les configurations d'écoulement complexes ou les propriétés des fluides variables.

4. Conception mécanique

Dimensions de la calandre et des tubes :

-ID de la calandre : Déterminé par la disposition du faisceau tubulaire (triangulaire, carré, carré tourné).

-Pas des tubes : Minimum 1,25 × OD du tube (pour permettre le nettoyage).

Conception des chicanes :

-Chicanes segmentaires (coupe de 20 à 50 %) avec espacement selon TEMA (min 1/5 ID de la calandre ou 2").

-Pas de tubes dans la fenêtre (NTIW) : Élimine les zones mortes.

Chute de pression :

-Côté calandre : Optimisé via l'espacement/la coupe des chicanes.

-Côté tube : Fonction de la vitesse du fluide et de la longueur du tube.

5. Sélection des matériaux

6. Conformité ASME et essais

Essai hydrostatique :

-1,5 × pression de calcul (ASME VIII-1 UG-99).

-Tester séparément les côtés calandre et tube.

Essai pneumatique :

-1,1 × pression de calcul (si les essais hydrostatiques sont impraticables).

Exigences CND :

-RT (radiographie) pour les soudures.

-PT (ressuage) ou MT (magnétoscopie) pour les fissures de surface.

7. Applications courantes

Pétrole et gaz : Préchauffeurs, refroidisseurs, condenseurs.

Centrales électriques : Condenseurs à vapeur, réchauffeurs d'eau d'alimentation.

Industrie chimique : Refroidissement des réacteurs, distillation.

CVC : Refroidisseurs, chauffage urbain.

Avantages et limites