Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes (shell & tube) sont privilégiés dans de nombreux secteurs, de la chimie à l’énergie et de l’agroalimentaire au naval, grâce à leur résistance aux hautes pressions et températures, à leur construction robuste et à leurs options de conception flexibles. Toutefois, pour que ces avantages se concrétisent sur le terrain, l’appareil doit être conçu en fonction du procédé.
Un échangeur à calandre et tubes mal choisi se traduit par une capacité insuffisante, un encrassement rapide, une corrosion prématurée, des ruptures de tubes et une maintenance difficile. Quels critères techniques faut-il donc prendre en compte pour faire le bon choix ? Examinons-les étape par étape.
1. Données de procédé : puissance, débits et températures
La première étape d’un bon choix consiste à définir de manière complète les données de procédé du côté chaud et du côté froid. Le calcul thermique est réalisé à partir de ces données ; des données incomplètes ou estimées conduisent à un appareil surdimensionné ou insuffisant.
• Puissance thermique (kW) : la quantité de chaleur à transférer.
• Débits (m³/h ou kg/s) : le débit de chaque côté.
• Températures d’entrée et de sortie (°C) : au moins trois des quatre températures doivent être connues.
• Changement de phase : l’un des fluides se condense-t-il ou s’évapore-t-il (condenseur, évaporateur, chauffage à la vapeur) ?
• Régime de fonctionnement : l’appareil fonctionne-t-il en continu, à charge variable ou de manière saisonnière ?
Dans les échangeurs à calandre et tubes, la disposition des écoulements influe directement sur le programme de températures. Dans les conceptions à plusieurs passes (par exemple 1 passe calandre – 2 passes tubes), l’écoulement n’est pas un véritable contre-courant. Par conséquent, si la température de sortie du côté froid dépasse celle du côté chaud (croisement de températures), une seule calandre peut ne pas suffire ; plusieurs calandres en série ou une conception à contre-courant sont alors nécessaires.
En pratique, un pincement inférieur à 3–5 °C n’est pas économique pour les échangeurs à calandre et tubes ; si des températures plus proches sont nécessaires, un échangeur à plaques doit également être envisagé. Pour en savoir plus, consultez notre article Quand faut-il privilégier les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire (Shell & Tube) ?.
2. Répartition des fluides : quel fluide côté tubes, lequel côté calandre ?
L’une des décisions les plus critiques propres à la conception à calandre et tubes est le choix du côté sur lequel placer chaque fluide. Cette décision détermine directement le coût, la facilité de nettoyage et la durée de vie de l’appareil.
En règle générale, les fluides sales, entartrants ou chargés de particules sont placés côté tubes. Les fluides corrosifs comme l’eau de mer et les produits chimiques, les fluides à haute pression et à haute température ainsi que l’eau des tours de refroidissement sont également placés de préférence côté tubes.
Le côté calandre convient quant à lui mieux aux fluides visqueux comme l’huile, aux fluides à faible débit, à la vapeur en condensation, aux fluides nécessitant une faible perte de charge et aux fluides propres.
La logique est simple : l’intérieur des tubes se nettoie mécaniquement bien plus facilement que la calandre. Lorsqu’un fluide corrosif ou à haute pression passe dans les tubes, les matériaux coûteux et les fortes épaisseurs ne concernent que les tubes et les boîtes de distribution ; la calandre peut être fabriquée dans un matériau économique.
3. Vitesse d’écoulement et perte de charge admissible
La vitesse d’écoulement établit l’équilibre entre transfert de chaleur, encrassement et usure. Une vitesse faible accélère l’encrassement ; une vitesse élevée entraîne érosion, vibrations et une forte consommation d’énergie de pompage.
• Côté tubes (eau) : on vise généralement une plage de 1 à 2,5 m/s. Pour les tubes en alliage de cuivre, la limite supérieure est plus basse en raison du risque d’érosion.
• Côté calandre (liquide) : généralement conçu dans une plage de 0,3 à 1 m/s.
• Perte de charge : pour les liquides, elle se situe généralement entre 0,3 et 0,7 bar par côté ; toutefois, le facteur déterminant reste ce que la pompe existante peut supporter.
La perte de charge est le paramètre le plus souvent négligé lors du choix. Si la perte de charge admissible est indiquée dès le départ, le nombre de passes tubes, l’espacement des chicanes (baffles) et le nombre de tubes sont optimisés en conséquence. La masse volumique et la viscosité du fluide, ainsi que leur évolution avec la température, doivent également être prises en compte dans le calcul ; pour les fluides visqueux comme l’huile en particulier, c’est le principal facteur qui détermine les performances.
4. Choix des matériaux et résistance à la corrosion
Le choix des matériaux est le facteur le plus important pour la durée de vie d’un échangeur à calandre et tubes. L’avantage de cette conception est que les tubes, la plaque tubulaire (tube sheet), la calandre et les boîtes de distribution peuvent chacun être réalisés dans un matériau différent selon le fluide avec lequel ils sont en contact.
Les options typiques de matériau des tubes selon l’application peuvent se résumer ainsi :
Acier au carbone : utilisé pour l’eau propre, l’huile, la vapeur et les circuits fermés ; généralement privilégié comme matériau de calandre.
Acier inoxydable (AISI 304 / 316L) : courant dans les applications agroalimentaires, pharmaceutiques, chimiques et d’eau de procédé.
Cuivre et cupronickel (CuNi 90/10) : adaptés au refroidissement, aux applications avec fluides frigorigènes et à l’eau de mer.
Titane : se distingue pour l’eau de mer, les milieux à forte teneur en chlorures et les environnements agressifs.
Acier inoxydable duplex : privilégié dans les procédés présentant un risque de corrosion sous contrainte induite par les chlorures.
Le choix final dépend de la chimie du fluide, de la température, de la teneur en chlorures et de la vitesse d’écoulement.
Il convient d’être particulièrement attentif lorsque différents métaux sont utilisés ensemble. Si les matériaux des tubes et de la plaque tubulaire sont incompatibles, une corrosion galvanique peut apparaître. Par ailleurs, la différence entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux de la calandre et des tubes influe également sur le choix du type de construction.
Pour en savoir plus, consultez notre article La corrosion dans les échangeurs de chaleur : causes, signes et méthodes de prévention.
5. Type de construction et disposition des tubes
Dans les échangeurs à calandre et tubes, le type de construction détermine la manière dont la dilatation thermique est absorbée et le côté qui peut être nettoyé. Les types à plaques tubulaires fixes, à tubes en U et à tête flottante diffèrent en termes de dilatation thermique, de nettoyage et de coût :
Plaques tubulaires fixes : c’est l’option la plus économique. Cependant, sa capacité à absorber la dilatation thermique est limitée ; un compensateur de dilatation est nécessaire dans les applications à forte différence de température. L’intérieur des tubes se nettoie facilement, tandis que le côté calandre ne peut être nettoyé que chimiquement.
Tubes en U : c’est une solution de coût moyen. Les tubes pouvant s’allonger librement, la dilatation thermique ne pose pas de problème. Le côté calandre se nettoie facilement ; en revanche, le nettoyage de l’intérieur des tubes est difficile à cause des coudes.
Tête flottante : c’est le type le plus coûteux. Il permet une libre dilatation thermique, et les côtés tubes et calandre peuvent tous deux être nettoyés mécaniquement.
La disposition des tubes influe également sur le choix. La disposition triangulaire (30°) permet de loger davantage de tubes dans la même calandre et augmente le transfert de chaleur, mais ne permet pas le nettoyage mécanique entre les tubes. La disposition carrée (90°) offre quant à elle un accès pour le nettoyage avec des fluides encrassants côté calandre. Les diamètres de tubes de 5/8″ et 3/4″ sont des choix courants ; pour les fluides encrassants, des tubes de plus grand diamètre réduisent le risque de bouchage.
Pour en savoir plus, consultez notre article Quels sont les types d’échangeurs de chaleur à calandre et tubes ? Lequel est utilisé dans quelle application ?.
6. Conditions de calcul, facteur d’encrassement et facilité de maintenance
Un échangeur doit être conçu non seulement pour les conditions normales de fonctionnement, mais aussi pour les conditions les plus sévères pouvant survenir dans l’installation.
• Pression et température de calcul : elles doivent être définies séparément pour chaque côté, en tenant compte de la pression de la pompe à débit nul, des coups de bélier et du tarage de la soupape de sûreté.
• Normes : il convient d’exiger que l’appareil soit conçu et testé conformément aux normes et réglementations applicables telles que TEMA, ASME ou DESP (2014/68/UE).
• Facteur d’encrassement (fouling factor) : une surface supplémentaire est ajoutée à la conception pour tenir compte de l’encrassement qui se forme avec le temps. Il doit être choisi de manière réaliste selon le type de fluide.
• Espace de maintenance : pour pouvoir extraire le faisceau tubulaire, un espace libre au moins égal à la longueur du faisceau doit être laissé devant l’appareil.
Une erreur fréquente concerne le facteur d’encrassement : l’idée que « plus il y en a, plus c’est sûr ». Un excès de surface réduit les vitesses d’écoulement et accélère encore davantage l’encrassement. Le facteur d’encrassement doit donc être déterminé en fonction de la nature réelle du fluide et de l’intervalle de maintenance prévu.
Pour en savoir plus, consultez notre article Guide de Nettoyage et de Maintenance des Échangeurs de Chaleur à Calandre et Tubes.
Liste de contrôle avant de demander une offre
Préparer les informations suivantes permet de réaliser les calculs thermiques et mécaniques rapidement et avec précision :
• Puissance thermique (kW) et débit de chaque côté
• Températures d’entrée et de sortie ; informations sur un éventuel changement de phase
• Types de fluides et propriétés physiques (masse volumique, viscosité, taux d’additif)
• Perte de charge admissible pour chaque côté
• Pression de calcul et température de calcul
• Niveau d’encrassement/de particules et teneur en chlorures du fluide
• Matériaux souhaités et norme applicable (TEMA, ASME, DESP)
• Sens d’installation (horizontal/vertical) et espace prévu pour la maintenance
Conclusion
Le choix d’un échangeur à calandre et tubes ne se limite pas à une valeur de puissance ; c’est un processus d’ingénierie dans lequel les données de procédé, la répartition des fluides, la vitesse d’écoulement, les matériaux, le type de construction et les besoins de maintenance sont évalués ensemble. Un échangeur à calandre et tubes bien choisi se rentabilise par de faibles coûts d’exploitation et de longues années de fonctionnement sans problème.
Chez Refkar Soğutma, nous effectuons les calculs thermiques et mécaniques à partir de vos données de procédé et déterminons le matériau, la disposition des tubes et le type de construction spécifiquement pour votre application. Contactez-nous pour bénéficier d’un accompagnement technique pour votre projet.
