Comment concevoir un échangeur de chaleur à calandre et à tubes ?

Le calcul de conception d’un échangeur de chaleur à calandre et à tubes comporte plusieurs étapes. Voici un aperçu général du processus :

1. Déterminez la puissance calorifique : commencez par déterminer le taux de transfert de chaleur requis ou la puissance calorifique (Q) de léchangeur thermique. Cela peut être basé sur les exigences spécifiques de l’application ou du processus.

2. Déterminer les propriétés du fluide : Identifiez les propriétés du fluide chaud (température dentrée, température de sortie, débit, capacité thermique spécifique et densité) et du fluide froid (mêmes propriétés) impliqués dans le processus déchange thermique.

3. Choisissez la disposition des coques et des tubes : sélectionnez une disposition appropriée des coques et des tubes en fonction de facteurs tels que les limites de chute de pression, les tendances à lencrassement, la facilité de maintenance et lefficacité globale. Les agencements courants incluent les conceptions à plaque tubulaire fixe, à tube en U et à tête flottante.

4. Déterminez le coefficient de transfert de chaleur global (U) : Le coefficient de transfert de chaleur global représente lefficacité de léchangeur de chaleur à transférer la chaleur entre les fluides chauds et froids. Il est calculé en combinant les coefficients de film individuels pour les fluides à lintérieur et à lextérieur des tubes, ainsi que la résistance thermique de la paroi du tube.

5. Déterminez la surface de transfert de chaleur côté tube : Calculez la surface de transfert de chaleur requise côté tube à laide de la formule :

   A = Q / (U × ΔTm)

où A est la zone de transfert de chaleur, Q est la fonction thermique, U est le coefficient de transfert de chaleur global et ΔTm est la différence de température moyenne logarithmique (LMTD). Le LMTD dépend de la différence de température entre les fluides chauds et froids en différents points le long de léchangeur de chaleur.

6. Sélectionnez la taille et la disposition du tube : Déterminez le diamètre et la longueur du tube en fonction de facteurs tels que les contraintes de chute de pression, les limitations de vitesse du fluide et les considérations dencrassement. Décidez également du modèle de disposition des tubes, tel quun pas triangulaire ou carré.

7. Vérifiez la vitesse découlement côté tube : vérifiez que la vitesse découlement côté tube se situe dans des limites acceptables pour éviter une chute de pression excessive ou des problèmes de débit. La plage recommandée est généralement de 1 à 3 m/s pour les flux de liquides et de 10 à 20 m/s pour les flux de gaz.

8. Vérifiez la chute de pression côté tube : calculez la chute de pression côté tube à laide de corrélations empiriques ou dune analyse de débit détaillée. Assurez-vous que la chute de pression se situe dans des limites acceptables en fonction des exigences du système.

9. Déterminez la zone de transfert de chaleur côté calandre : calculez la zone de transfert de chaleur côté calandre requise en fonction de la zone de transfert de chaleur côté tube, des facteurs dencrassement et du coefficient de transfert de chaleur global.

10. Sélectionnez la taille et la disposition de la coque : Choisissez un diamètre et une longueur de coque appropriés, en tenant compte de facteurs tels que les limites de chute de pression, lespace disponible et les considérations de fabrication.

11. Vérifiez la vitesse découlement côté coque : Vérifiez que la vitesse découlement côté coque se situe dans des limites acceptables pour éviter une chute de pression excessive ou des problèmes de débit. La plage recommandée est généralement de 0,1 à 0,3 m/s pour les flux de liquides et de 0,2 à 1 m/s pour les flux de gaz.

12. Vérifiez la chute de pression côté coque : Calculez la chute de pression côté coque à laide de corrélations empiriques ou dune analyse de débit détaillée. Assurez-vous que la chute de pression se situe dans des limites acceptables en fonction des exigences du système.

13. Concevoir les plaques tubulaires, les déflecteurs et les supports : Concevoir les plaques tubulaires, les déflecteurs et les structures de support pour résister à la pression, à la température et aux contraintes mécaniques rencontrées pendant le fonctionnement.

14. Effectuez des calculs itératifs : ajustez de manière itérative les dimensions des tubes et des coques, ainsi que dautres paramètres de conception, pour répondre à la zone de transfert de chaleur, à la chute de pression et à dautres exigences de performances souhaitées.

Il est important de noter que le calcul de conception d’un échangeur de chaleur à calandre et à tubes peut être complexe et nécessiter une connaissance détaillée des principes de transfert de chaleur, de la mécanique des fluides et de l’ingénierie thermique. Envisagez de consulter de la littérature spécialisée, des codes dingénierie ou de demander de laide.

Échangeur de chaleur à calandre et à tubes