Le échangeur à faisceau tubulaire et calandre (en anglais tube & shell heat exchanger) est un échangeur de chaleur de surface, dans lequel les courants à traiter passent à travers des tubes recueilli dans un récipient de forme cylindrique et ou espace environnant (appelée calandre).
Comparé aux échangeurs de chaleur, il est de loin le modèle le plus utilisé, et permet l'échange de grandes quantités de chaleur, ayant des surfaces d'échange qui peuvent atteindre des dizaines de milliers de mètres carrés.
Dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire et calandre les parties suivantes sont distinguées:
La calandre s'appuie sur quatre "orifices de décharge" bridés, deux réservés pour le fluide de service (ou le liquide de refroidissement/réchauffement utilisé comme vecteur d'échange thermique, généralement de l'eau) et deux réservés pour le fluide de processus (ou le liquide qui doit être refroidi/chauffé, qui concurrence directement le processus industriel).
À l'extérieur de la calandre un distributeur est représenté, seulement utilisé en cas de fluides gazeux coté calandre. Dans la calandre peuvent être présentes des plaques de tôle transversales appelées diaphragme (en anglais baffle) qui sont conçues pour contrôler le régime hydraulique dans la calandre elle-même.
L'échangeur de la figure 1 est dit à passage unique ou, plus communément, à un passage, puisque, à la fois sur le coté tubes et le coté calandre, les liquides pénètrent et traversent le échangeur une fois et sortent. Sur la figure 2 est représenté un échangeur similaire, mais avec deux passages coté tubes ou, comme on dit, un type 2-1 (où 1 correspond à un passage coté calandre). On note, dans la tête d'extrémité supérieure, la couche verticale qui oblige le liquide coté tubes à descendre dans les tubes pour ensuite remonter. Il n'y a théoriquement pas de limite au nombre de passages; en pratique il est rare de trouver des échangeurs avec un nombre de passages côté tubes supérieur à 16, et coté calandre supérieur à 4. Sur la figure 3 est montré un échangeur 2-2.
Normes TEMA
Les échangeurs à faisceau tubulaires, étant les plus utilisés, ils sont également les mieux définis en termes de normalisation et de réglementation. Dans ce contexte, font autorité les indications de l'Association américaine TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers' Association), qui publie un recueil complet de normes relatives à la classification, au dimensionnement et à la construction des échangeurs.
Les tubes du l'échangeur ne doivent pas nécessairement être rectilignes (nous avons déjà parlé des serpentins, qui cependant sont des faisceaux tubulaires inappropriés), il est en effet pratique courante d'utiliser des tubes courbés en U (type TEMA U), à rayons variables, unis par la plaque tubulaire pour former des tubes capillaires. Ces modèles particuliers d'échangeur à faisceaux tubulaire et calandre sont appelés "capillaires", et ont une seule tête.
L'avantage réside dans la possibilité d'extraire du faisceau tubulaire, qui peut être facilement séparés de la calandre pour l'inspection et le nettoyage, au coût d'une faible stabilité mécanique du faisceau qui, étant soutenu en porte-à-faux, est soumis à davantage de sollicitations, même de caractère dynamique pour les vibrations. Ils sont déconseillés pour des fluides corrosifs ou salissants, puisqu'en correspondance du repliement en U il peut y avoir une érosion localisée des tubes et la formation d'incrustation (ou fouling).
Les échangeurs à tube capillaire sont aussi utilisés comme élément de chauffage dans des équipements plus grands, comme dans le rebouilleur type kettle.
Le type le plus simple d'échangeur à faisceau tubulaire est le double tube, en pratique un seul tuyau entouré d'une calandre. Comme nous le verrons par la suite, c'est la seule configuration qui permet de réaliser un profil thermique en co-courant ou contre-courant parfait.
Variantes de l'échangeur à faisceau tubulaire, ou plutôt hybrides entre faisceaux tubulaires et plaques, sont les échangeurs à lamelle et dérivés sous différents noms, dans lequel le faisceau tubulaire est remplacé par des tôles ondulées soudées entre elles (figure 4), et donc similaire à l'échangeur à plaque, mais qui réalisent un passage rectiligne semblable à celui du tube.
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