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Résumé : Les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) sont largement utilisés dans des domaines industriels tels que le génie chimique, la transformation des aliments, le CVC et la pétrochimie en raison de leur structure compacte, de leur efficacité de transfert de chaleur élevée et de leur évolutivité flexible. La conception des PHE est étroitement liée aux propriétés physiques, chimiques et thermiques du fluide caloporteur. Tout changement dans le milieu (y compris les changements de type, de composition et de paramètres d'état) affectera directement les conditions de conception de base des PHE, telles que l'efficacité du transfert de chaleur, la chute de pression, la sélection des matériaux, la structure des plaques et la stabilité de fonctionnement. Cet article analyse systématiquement les types de changements de milieu dans la conception des PHE, explore le mécanisme des changements de milieu affectant les paramètres de conception clés, combine des cas d'ingénierie pratiques pour vérifier la loi d'impact et propose des stratégies d'ajustement de conception correspondantes. La recherche montre que les changements de milieu provoqueront des réactions en chaîne dans le système de conception des PHE : les changements dans les propriétés physiques (viscosité, densité, conductivité thermique) affectent le coefficient de transfert thermique et la chute de pression ; les changements dans les propriétés chimiques (corrosivité, réactivité) déterminent le choix des matériaux des plaques et des joints ; les changements dans les paramètres d'état (température, pression, phase) affectent la sélection du type de plaque et la conception du canal d'écoulement ; et les changements dans la composition du milieu (impuretés, composants mélangés) augmentent le risque d'encrassement et affectent l'efficacité opérationnelle à long terme. Cette étude fournit une base théorique et des conseils pratiques pour l'optimisation de la conception, l'ajustement du fonctionnement et la maintenance des PHE dans des conditions de changement moyen, contribuant ainsi à améliorer l'adaptabilité et la fiabilité des PHE dans des environnements industriels complexes.
Mots clés : Échangeur de chaleur à plaques ; Changement moyen ; Conditions de conception ; Performances de transfert de chaleur ; Chute de pression ; Sélection des matériaux
Les échangeurs de chaleur à plaques sont un type d'équipement de transfert de chaleur à haut rendement composé d'une série de plaques ondulées, de joints, de plaques de cadre et de tirants. Le processus d'échange thermique est réalisé grâce au flux alternatif de fluides chauds et froids des deux côtés des plaques, et la structure ondulée des plaques améliore la turbulence du fluide, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur. Par rapport aux échangeurs de chaleur à calandre traditionnels, les PHE présentent les avantages d'un coefficient de transfert de chaleur élevé (3 000 à 7 000 W/m²·K pour les applications liquide-liquide), d'une structure compacte (densité de surface de 100 à 200 m²/m³, 4 à 5 fois celle des échangeurs de chaleur à calandre), d'un démontage et d'une maintenance faciles et d'un ajustement flexible de la zone de transfert de chaleur en augmentant ou en diminuant les plaques. Ces avantages rendent les PHE largement utilisés dans divers domaines industriels, et leur rationalité de conception détermine directement l'efficacité de fonctionnement, la consommation d'énergie et la durée de vie de l'ensemble du système d'échange thermique.
Dans la production industrielle, le fluide caloporteur est souvent affecté par des facteurs tels que le remplacement des matières premières, l'ajustement du processus, la modification de la formule du produit et les changements environnementaux, entraînant des changements dans son type, sa composition, ses propriétés physiques et chimiques et ses paramètres d'état. Par exemple, dans l’industrie pétrochimique, la teneur en eau du pétrole brut peut augmenter en raison de changements dans les conditions d’exploitation des champs pétrolifères ; dans l'industrie agroalimentaire, la viscosité du lait ou du sirop peut changer en raison des différences dans les sources de matières premières ; dans l'industrie chimique, la corrosivité du fluide peut augmenter en raison de l'ajout de nouveaux composants. Une fois le fluide modifié, les paramètres de conception d'origine du PHE (tels que la zone de transfert de chaleur, le type de plaque, le matériau et le débit) ne correspondront plus aux conditions de fonctionnement réelles, entraînant des problèmes tels qu'une efficacité de transfert de chaleur réduite, une chute de pression excessive, une consommation d'énergie accrue, une corrosion des matériaux et même une panne d'équipement.
À l'heure actuelle, la plupart des recherches existantes sur la conception des PHE se concentrent sur l'optimisation de la structure des plaques, le calcul du transfert de chaleur et le contrôle de l'encrassement, mais il manque une analyse systématique de l'impact global des changements de milieu sur les conditions de conception. Dans l'ingénierie pratique, de nombreuses entreprises ignorent souvent l'impact des changements moyens, ce qui empêche le PHE d'exercer les performances qui lui sont dues et entraîne même des pertes économiques. Par exemple, lorsque la coupe d'eau dans le pétrole brut augmente, la température de sortie du fluide va baisser, et si le PHE n'est pas repensé, il faut ajouter des brûleurs pour le préchauffage, ce qui augmente le coût annuel d'exploitation de 390 000 euros ; tandis que l'extension du paquet de plaques du PHE peut restaurer la température de sortie et réaliser une récupération de l'investissement en moins de trois mois. Par conséquent, il est d’une grande importance théorique et pratique d’étudier l’impact des changements de milieu sur les conditions de conception des PHE, de clarifier le mécanisme d’impact et de proposer des stratégies d’ajustement.
Cet article classe d'abord les types de changements de milieu dans la conception des PHE, puis analyse l'impact de différents types de changements de milieu sur les conditions de conception clés (performances de transfert de chaleur, chute de pression, sélection des matériaux, structure des plaques, etc.) du mécanisme, combine des cas pratiques à vérifier et propose enfin des méthodes d'ajustement de conception et des suggestions d'optimisation, fournissant un soutien à la conception rationnelle et au fonctionnement stable des PHE dans des conditions de changement de milieu.
Le milieu dans les PHE fait référence aux fluides chauds et froids impliqués dans l'échange thermique, et ses changements sont divers, mais ils peuvent être divisés en quatre catégories selon la nature du changement : changements dans les propriétés physiques, changements dans les propriétés chimiques, changements dans les paramètres d'état et changements dans la composition du milieu. Ces quatre types de changements ne sont pas isolés et il peut y avoir une influence mutuelle (par exemple, des changements de température peuvent entraîner des changements de viscosité et de densité, et des changements de composition peuvent entraîner des changements de corrosivité).
Les propriétés physiques du milieu qui affectent la conception du PHE comprennent principalement la viscosité, la densité, la conductivité thermique, la capacité thermique spécifique et la tension superficielle. Les modifications de ces propriétés physiques affecteront directement l'état d'écoulement du fluide dans le canal d'écoulement et le processus de transfert de chaleur. Les changements courants dans les propriétés physiques comprennent : l'augmentation ou la diminution de la viscosité (telle que l'augmentation de la viscosité de l'huile lubrifiante après le vieillissement, la diminution de la viscosité du sirop après chauffage), l'augmentation ou la diminution de la densité (telle que le mélange d'huiles légères et lourdes) et les changements de conductivité thermique (telles que l'ajout d'additifs de transfert de chaleur au milieu). Parmi elles, la viscosité et la conductivité thermique sont les deux propriétés physiques les plus critiques, qui ont l'impact le plus significatif sur l'efficacité du transfert de chaleur et la chute de pression.
Les propriétés chimiques du milieu affectent principalement la sélection des matériaux des PHE, notamment la corrosivité, la réactivité, l'oxydabilité et la réductibilité. Des modifications des propriétés chimiques se produisent souvent en raison du remplacement de matières premières, de l'ajout de nouveaux composants ou de réactions chimiques au cours du processus d'échange thermique. Par exemple, dans l'industrie chimique, le milieu peut passer de neutre à acide ou alcalin en raison de l'ajustement du processus ; dans l'industrie alimentaire, le milieu peut produire des substances acides dues à la fermentation, augmentant la corrosivité ; dans l'industrie pétrochimique, la teneur en soufre du milieu peut augmenter, entraînant une corrosion accrue des matériaux métalliques. De plus, certains fluides peuvent réagir entre eux ou avec les matériaux des plaques/joints, entraînant des dommages matériels et des pannes d'équipement.
Les paramètres d'état du milieu font référence à la température, à la pression et à l'état de phase (liquide, gaz, mélange solide-liquide) lors de l'échange thermique. Les changements de paramètres d'état sont courants dans la production industrielle, tels que les changements de température d'entrée/sortie du fluide dus à l'ajustement de la charge du processus, les changements de pression de fonctionnement du système dus au blocage du pipeline ou à une panne de pompe, et les changements de phase du fluide pendant l'échange thermique (comme la condensation de vapeur, la vaporisation de liquide). Parmi eux, les changements de phase ont l'impact le plus significatif sur la conception des PHE, car ils modifieront le mécanisme de transfert de chaleur et nécessiteront une conception spéciale du type de plaque et du canal d'écoulement.
Les changements dans la composition du milieu font référence à l'ajout d'impuretés, de composants mélangés ou à des changements dans la proportion de composants dans le milieu d'origine. Par exemple, le milieu peut contenir des particules solides (telles que des sédiments dans l'eau, des particules de catalyseur dans des réactions chimiques) en raison de la pollution des matières premières ; le mélange de deux ou plusieurs milieux (tels que le mélange d'eau et d'huile) modifie les propriétés globales du milieu ; la proportion de composants dans le milieu change (comme la variation de la coupe d'eau du pétrole brut). Les changements dans la composition du milieu affecteront non seulement les propriétés physiques et chimiques du milieu, mais augmenteront également le risque d'encrassement et de blocage du canal d'écoulement, affectant le fonctionnement à long terme du PHE.
La conception des PHE est basée sur les paramètres du milieu d'origine, et tout changement dans le milieu provoquera une réaction en chaîne dans le système de conception. Ce qui suit analysera l'impact des changements de milieu sur les conditions de conception clés sous cinq aspects : performances de transfert de chaleur, chute de pression, sélection des matériaux, structure des plaques et conception des canaux d'écoulement, ainsi que l'encrassement et la stabilité de fonctionnement.
La performance de transfert de chaleur est l'indice de base de la conception PHE, qui est principalement mesurée par le coefficient de transfert de chaleur (U) et le taux de transfert de chaleur (Q). Le processus de transfert de chaleur des PHE comprend trois maillons : le transfert de chaleur par convection du milieu chaud vers la paroi de la plaque, le transfert de chaleur par conduction à travers la paroi de la plaque et le transfert de chaleur par convection de la paroi de la plaque vers le milieu froid. Les changements de milieu affectent les performances de transfert de chaleur en modifiant l'efficacité du transfert de chaleur par convection et la résistance thermique du milieu.
La viscosité est le facteur le plus important affectant le coefficient de transfert de chaleur par convection. Plus la viscosité du milieu est élevée, plus la résistance à l'écoulement est grande, plus il est difficile de former des turbulences et plus le coefficient de transfert de chaleur par convection est faible. Par exemple, lorsque la viscosité du fluide chaud augmente de 50 %, le nombre de Reynolds (Re) du fluide dans le canal d'écoulement diminuera considérablement (Re est inversement proportionnel à la viscosité) et l'état d'écoulement passera d'un écoulement turbulent à un écoulement laminaire. À ce stade, le coefficient de transfert de chaleur par convection diminuera de 30 à 50 %, entraînant une réduction significative du taux de transfert de chaleur. Au contraire, la diminution de la viscosité augmentera le nombre de Reynolds, augmentera la turbulence et améliorera le coefficient de transfert de chaleur par convection.
La conductivité thermique affecte directement la capacité de transfert de chaleur du milieu. Plus la conductivité thermique du milieu est élevée, plus le transfert de chaleur entre le milieu et la paroi de la plaque est rapide et plus le coefficient de transfert de chaleur est élevé. Par exemple, lorsque le milieu passe de l'eau (conductivité thermique 0,6 W/(m·K)) à l'huile moteur (conductivité thermique 0,14 W/(m·K)), la conductivité thermique est réduite de 77 % et le coefficient de transfert de chaleur par convection sera considérablement réduit, ce qui nécessite une augmentation de la zone de transfert de chaleur pour répondre aux exigences de conception en matière de transfert de chaleur. De plus, les changements de densité et de capacité thermique spécifique affecteront le débit de capacité thermique (m·cp) du fluide, affectant ainsi la différence de température entre l'entrée et la sortie du fluide et le taux de transfert de chaleur.
Les changements de température affectent les performances de transfert de chaleur de deux manières : d'une part, les changements de température entraîneront des changements dans les propriétés physiques du milieu (telles que la viscosité, la conductivité thermique), affectant ainsi le coefficient de transfert de chaleur par convection ; d'autre part, les changements dans la température d'entrée/sortie du fluide modifieront la différence de température moyenne logarithmique (LMTD), qui est la force motrice du transfert de chaleur. Par exemple, si la température d'entrée du fluide chaud diminue de 20 °C, le LMTD diminuera et le taux de transfert de chaleur diminuera en conséquence. Pour maintenir les besoins d'origine en transfert de chaleur, il est nécessaire d'augmenter la surface de transfert de chaleur ou d'ajuster le débit du fluide.
Les changements de phase (tels que la condensation de la vapeur, la vaporisation du liquide) modifieront considérablement le mécanisme de transfert de chaleur. Lorsque le milieu subit un changement de phase, la chaleur latente du changement de phase sera libérée ou absorbée, ce qui peut grandement améliorer le taux de transfert de chaleur. Par exemple, lorsque le fluide chaud passe de l'eau saturée (transfert de chaleur sensible) à la vapeur saturée (transfert de chaleur latente), le coefficient de transfert de chaleur peut être augmenté de 2 à 3 fois. Cependant, les changements de phase imposent également des exigences plus élevées en matière de type de plaque et de conception de canal d'écoulement. Par exemple, la condensation de vapeur nécessite un type de plaque offrant de bonnes performances de séparation gaz-liquide pour éviter l'accumulation de film liquide affectant le transfert de chaleur ; la vaporisation de liquide nécessite un canal d'écoulement avec une distribution uniforme pour garantir que le milieu est chauffé uniformément.
Lorsque le milieu contient des particules solides ou des impuretés, les particules formeront une couche d'encrassement sur la surface de la plaque, augmentant la résistance thermique de la couche d'encrassement, réduisant ainsi le coefficient global de transfert de chaleur. Plus la teneur en particules est élevée, plus le taux d’encrassement est rapide et plus la réduction de l’efficacité du transfert thermique est importante. Par exemple, lorsque l'eau utilisée comme milieu froid contient une grande quantité d'ions calcium et magnésium, un tartre se produira sur la surface de la plaque après un fonctionnement à long terme, et la conductivité thermique de la couche de tartre n'est que de 1/10 à 1/5 de celle de la plaque métallique, ce qui réduira le coefficient de transfert de chaleur de 20 à 40 % après le tartre. De plus, le mélange de différents milieux peut conduire à une dissolution ou une stratification mutuelle, modifiant les propriétés physiques globales du milieu et affectant davantage les performances de transfert de chaleur.
La chute de pression est une autre condition de conception clé des PHE, qui fait référence à la perte de pression du fluide lors de son écoulement dans le canal d'écoulement du PHE. La chute de pression affecte directement la consommation d'énergie de la pompe (ou du ventilateur) et la stabilité de fonctionnement du système. La chute de pression des PHE est principalement déterminée par la résistance à l'écoulement du fluide dans le canal d'écoulement, qui est liée aux propriétés physiques du fluide, au débit, à la structure du canal d'écoulement et à d'autres facteurs. Les changements de fluide affecteront la chute de pression en modifiant la résistance à l'écoulement du fluide.
La viscosité est le facteur le plus important affectant la chute de pression. Plus la viscosité du fluide est élevée, plus la résistance à l'écoulement est grande et plus la chute de pression est importante. Selon la formule de la mécanique des fluides, la chute de pression est proportionnelle à la viscosité du fluide sous le même débit et la même structure de canal d'écoulement. Par exemple, lorsque la viscosité du fluide augmente de 100 %, la chute de pression augmente d'environ 80 à 100 % pour le même débit. De plus, la densité du fluide affecte également la perte de charge : plus la densité du fluide est élevée, plus la force d'inertie du fluide est grande et plus la perte de charge est élevée pour le même débit.
Les changements de température affectent la chute de pression en modifiant la viscosité et la densité du fluide. Par exemple, lorsque la température du milieu augmente, la viscosité diminue et la chute de pression diminue en conséquence ; au contraire, lorsque la température diminue, la viscosité augmente et la chute de pression augmente. Les changements de pression affecteront la densité et l’état de phase du milieu. Par exemple, lorsque la pression de fonctionnement est inférieure à la pression de saturation du milieu, le milieu se vaporise, formant un écoulement biphasique gaz-liquide, ce qui augmentera considérablement la résistance à l'écoulement et la chute de pression. De plus, la perte de charge du PHE est également liée au débit du fluide. Si le débit du fluide augmente en raison d'un ajustement du processus, la chute de pression augmentera fortement (la chute de pression est proportionnelle au carré du débit).
Lorsque le milieu contient des particules solides ou des impuretés, les particules entreront en collision avec la paroi de la plaque et entre elles pendant le processus d'écoulement, augmentant ainsi la résistance à l'écoulement et la chute de pression. De plus, les particules s'accumuleront dans le canal d'écoulement, rétrécissant la section transversale du canal d'écoulement, augmentant encore le débit et la chute de pression. Par exemple, lorsque le milieu contient 5 à 10 % de particules solides (taille des particules 10 à 50 μm), la chute de pression augmentera de 30 à 50 % par rapport au milieu propre. Si les particules sont trop grosses (plus de 100 μm), elles peuvent même bloquer le canal d’écoulement, entraînant un dysfonctionnement du PHE.
Le choix des matériaux des PHE (y compris le matériau des plaques et le matériau des joints) est principalement déterminé par les propriétés chimiques et les paramètres d'état du milieu. La principale exigence lors de la sélection des matériaux est la résistance à la corrosion, suivie par la conductivité thermique, la résistance mécanique et la rentabilité. Les changements de support entraîneront directement une inadéquation entre le matériau d'origine et le nouveau support, entraînant une corrosion du matériau, un vieillissement des joints et d'autres problèmes, affectant la durée de vie du PHE.
La corrosivité est le facteur clé déterminant le matériau de la plaque. Les matériaux courants des plaques comprennent l'acier inoxydable (304, 316L), le titane, l'Hastelloy et l'alliage de cuivre. L'acier inoxydable 316L est largement utilisé dans les milieux neutres et faiblement corrosifs (tels que l'eau, l'huile comestible), mais il ne résiste pas aux acides forts, aux alcalis forts et aux milieux contenant du chlorure ; le titane résiste à une forte corrosion (telle que l'eau de mer, l'acide chlorhydrique) et convient aux conditions de travail difficiles ; L'Hastelloy résiste à la plupart des acides et alcalis forts et est utilisé dans les industries chimiques avec des milieux fortement corrosifs. Si le milieu passe de neutre à acide (comme une valeur de pH de 7 à 3), la plaque en acier inoxydable 304 d'origine sera corrodée, entraînant une perforation et une fuite de la plaque. A ce stade, il est nécessaire de remplacer la plaque par du titane ou de l'Hastelloy.
Le matériau du joint est également affecté par les propriétés chimiques du fluide. Les matériaux de joint courants comprennent le caoutchouc nitrile (NBR), le monomère éthylène-propylène-diène (EPDM) et le caoutchouc fluoré (Viton). Le NBR convient aux supports à base d’huile mais ne résiste pas aux acides et alcalis forts ; L'EPDM convient aux fluides neutres et faiblement corrosifs et présente une bonne résistance aux températures élevées ; Le Viton résiste aux acides forts, aux alcalis forts et aux solvants organiques, mais son coût est élevé. Si le fluide passe de l'huile à l'acide fort, le joint NBR d'origine sera corrodé et vieilli, entraînant une fuite du fluide, et il est nécessaire de le remplacer par un joint Viton.
Les changements de température et de pression affectent la sélection du matériau en modifiant le taux de corrosion du milieu et les propriétés mécaniques du matériau. Une température élevée accélérera le taux de corrosion du milieu et réduira la résistance mécanique et la durée de vie du matériau. Par exemple, lorsque la température de fonctionnement passe de 100 °C à 150 °C, le taux de corrosion du milieu sur la plaque d'acier inoxydable augmentera de 2 à 3 fois et il est nécessaire de sélectionner un matériau offrant une meilleure résistance à la corrosion à haute température (comme l'Hastelloy). La haute pression nécessite que le matériau ait une résistance mécanique plus élevée pour éviter la déformation ou l'endommagement des plaques. Par exemple, lorsque la pression de fonctionnement augmente de 1,6 MPa à 4,0 MPa, la plaque d'acier inoxydable ordinaire d'origine (épaisseur 0,5 mm) ne peut pas résister à la haute pression et il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la plaque ou de sélectionner un matériau plus résistant.
Lorsque le milieu contient des ions chlorure, des ions soufre ou d’autres ions corrosifs, cela accélère la corrosion du matériau de la plaque. Par exemple, même une petite quantité d’ions chlorure (plus de 200 ppm) provoquera une corrosion par piqûre des plaques d’acier inoxydable, entraînant des dommages aux plaques. A cette époque, il est nécessaire de sélectionner des matériaux résistants aux chlorures (comme le titane). De plus, si le milieu contient des solvants organiques, il dissoudra le matériau du joint, entraînant une défaillance du joint. Par exemple, le milieu contenant de l'acétone va dissoudre le joint NBR, et il faut le remplacer par un joint Viton.
La structure de la plaque (type de plaque, angle d'ondulation, épaisseur de la plaque) et la conception du canal d'écoulement (largeur du canal d'écoulement, direction d'écoulement, nombre de passages) des PHE sont conçues en fonction de l'état d'écoulement et des exigences de transfert de chaleur du support d'origine. Les changements de fluide affecteront l'état d'écoulement et les exigences de transfert de chaleur du fluide, nécessitant ainsi des ajustements à la structure de la plaque et à la conception du canal d'écoulement.
Pour les fluides à haute viscosité, le canal d'écoulement étroit d'origine entraînera une chute de pression excessive et un mauvais transfert de chaleur. Il est nécessaire de sélectionner un type de plaque avec un canal d'écoulement plus large (comme une plaque avec un angle d'ondulation de 30°) pour réduire la résistance à l'écoulement et améliorer l'état d'écoulement du fluide. Par exemple, lorsque le fluide passe de l'eau (faible viscosité) au pétrole lourd (viscosité élevée), la largeur du canal d'écoulement doit être augmentée de 2 à 3 mm à 4 à 5 mm pour réduire la chute de pression. De plus, les supports à haute viscosité nécessitent un type de plaque avec un effet de turbulence plus fort (comme les plaques ondulées à chevrons) pour améliorer le transfert de chaleur par convection.
Pour les supports à faible conductivité thermique, il est nécessaire d'augmenter la surface de transfert thermique en augmentant le nombre de plaques ou en sélectionnant des plaques ayant une surface spécifique plus grande. Par exemple, lorsque le fluide passe de l'eau à l'huile moteur (faible conductivité thermique), le nombre de plaques doit être augmenté de 30 à 50 % pour répondre aux exigences de transfert de chaleur. De plus, l'angle d'ondulation de la plaque affecte également le transfert de chaleur et la chute de pression : un angle d'ondulation plus grand (60°) peut améliorer le coefficient de transfert de chaleur, mais la chute de pression est plus importante ; un angle d'ondulation plus petit (30°) peut réduire la chute de pression, mais le coefficient de transfert thermique est plus faible. Les changements de milieu doivent équilibrer le transfert de chaleur et la chute de pression en ajustant l'angle d'ondulation.
Lorsque le milieu subit un changement de phase (comme la condensation de vapeur), il est nécessaire de sélectionner un type de plaque adapté au transfert de chaleur à changement de phase. Par exemple, le transfert de chaleur par condensation nécessite une plaque avec une surface lisse et un grand canal d'écoulement pour faciliter l'évacuation du liquide condensé et éviter l'accumulation de film liquide. Le transfert de chaleur par vaporisation nécessite une plaque avec un canal d'écoulement uniforme pour garantir que le milieu est chauffé uniformément et éviter une surchauffe locale. De plus, les milieux à changement de phase nécessitent une conception de canal d'écoulement à plusieurs passages pour prolonger le temps de séjour du milieu dans le PHE et améliorer l'efficacité du changement de phase.
Les changements de température et de pression affectent également l’épaisseur de la plaque. Les températures et pressions élevées nécessitent des plaques plus épaisses pour garantir la résistance mécanique. Par exemple, lorsque la pression de fonctionnement passe de 1,6 MPa à 4,0 MPa, l'épaisseur de la plaque doit être augmentée de 0,5 mm à 0,8 à 1,0 mm. De plus, les supports à haute température nécessitent des plaques ayant une bonne conductivité thermique pour réduire les contraintes thermiques, comme les plaques en alliage de cuivre ou les plaques de titane.
Lorsque le milieu contient des particules solides ou des impuretés, il est nécessaire de sélectionner un type de plaque avec un large canal d'écoulement et un nettoyage facile pour éviter le blocage du canal d'écoulement. Par exemple, le milieu contenant des particules solides doit sélectionner une plaque avec une largeur de canal d'écoulement supérieure à 4 mm et la surface de la plaque doit être lisse pour réduire l'accumulation de particules. De plus, la direction d'écoulement du fluide doit être conçue comme un écoulement à contre-courant pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur et réduire l'accumulation de particules. Pour les supports présentant une forte tendance à l'encrassement, il est nécessaire de concevoir un PHE amovible pour faciliter le nettoyage et l'entretien réguliers.
L'encrassement est un problème courant dans le fonctionnement des PHE, qui fait référence à l'accumulation d'impuretés, de tartre et d'autres substances sur la surface de la plaque, entraînant une efficacité de transfert de chaleur réduite, une perte de charge accrue et une durée de vie raccourcie. Les changements de milieu sont l'une des principales causes d'encrassement. De plus, les changements de fluide affecteront également la stabilité de fonctionnement du PHE, entraînant des problèmes tels que des fuites de fluide, une déformation des plaques et des fluctuations du système.
Les changements dans la composition du milieu sont le principal facteur conduisant à l'encrassement. Par exemple, l’augmentation des ions calcium et magnésium dans le milieu entraînera un tartre ; l'augmentation des particules solides entraînera un encrassement par sédimentation ; l'augmentation de la matière organique entraînera un encrassement biologique ou un encrassement chimique. De plus, les changements de température et de pression accéléreront également le taux d’encrassement. Par exemple, une température élevée accélérera la cristallisation des ions calcium et magnésium, conduisant à l’entartrage ; les changements de pression entraîneront la précipitation de gaz dissous dans le milieu, formant ainsi un encrassement du film gazeux. L'encrassement réduit non seulement l'efficacité du transfert de chaleur, mais augmente également la chute de pression, entraînant une augmentation de la consommation d'énergie et même un blocage des canaux d'écoulement.
Les changements de milieu peuvent entraîner des fuites de milieu. Par exemple, des modifications dans les propriétés chimiques du fluide peuvent corroder le joint ou la plaque, entraînant des fuites ; les changements de pression peuvent provoquer la déformation ou la chute du joint, entraînant une fuite. De plus, une chute de pression excessive provoquée par des changements de fluide peut entraîner une surcharge de la pompe, affectant le fonctionnement stable du système. Par exemple, lorsque la chute de pression dépasse la limite de conception, la pompe fonctionnera en surcharge, ce qui entraînera des dommages à la pompe ou l'arrêt du système. De plus, des changements dans l'état d'écoulement du fluide peuvent conduire à une répartition inégale de la température de la plaque, entraînant des contraintes thermiques et une déformation de la plaque.
Pour vérifier davantage l'impact des changements de milieu sur les conditions de conception des PHE, cet article analyse deux cas d'ingénierie pratiques, notamment l'impact des changements de composition du milieu dans l'industrie pétrochimique et l'impact des changements de propriétés physiques dans l'industrie de transformation des aliments, et propose des mesures d'ajustement correspondantes.
Une entreprise pétrochimique utilise un PHE pour préchauffer le pétrole brut. Le milieu de conception d'origine est du pétrole brut avec une teneur en eau de 5 % (fraction massique), la température d'entrée du pétrole brut est de 70 °C, la température de sortie est de 101 °C et la surface de transfert de chaleur du PHE est de 120 m². Le matériau de la plaque est en acier inoxydable 316L et le matériau du joint est en NBR. En raison des changements dans les conditions d'exploitation des champs pétrolifères, la teneur en eau du pétrole brut augmente jusqu'à 20 %, entraînant des modifications des propriétés physiques du milieu : la viscosité augmente de 30 %, la conductivité thermique diminue de 15 % et la densité augmente de 8 %.
Après que la coupure d'eau augmente, les problèmes de fonctionnement du PHE sont les suivants : (1) L'efficacité du transfert de chaleur diminue considérablement, la température de sortie du pétrole brut chute à 99°C, ce qui ne peut pas répondre aux exigences ultérieures du processus ; (2) La chute de pression augmente de 40 %, entraînant une surcharge de la pompe à pétrole brut et une augmentation de la consommation d'énergie ; (3) L'eau présente dans le pétrole brut provoque une légère corrosion de la plaque et le joint est vieilli et déformé, avec des risques potentiels de fuite.
En fonction des changements de milieu, les mesures d'ajustement de conception suivantes sont adoptées : (1) Ajuster la structure des plaques : augmenter le nombre de plaques, étendre la zone de transfert de chaleur à 150 m² et sélectionner un type de plaque avec un angle d'ondulation de 30° pour réduire la chute de pression ; (2) Optimiser la conception du canal d'écoulement : augmenter la largeur du canal d'écoulement de 2,5 mm à 3,5 mm pour s'adapter au milieu à haute viscosité et réduire l'accumulation de particules ; (3) Remplacez le matériau du joint : remplacez le joint NBR par un joint EPDM pour améliorer la résistance à la corrosion du pétrole brut contenant de l'eau ; (4) Ajouter un dispositif de prétraitement : installer un dispositif de séparation eau-huile à l'entrée du PHE pour réduire la coupe d'eau du pétrole brut à 10 % et réduire l'impact de l'eau sur le PHE. Après ajustement, la température de sortie du pétrole brut est rétablie à 101°C, la chute de pression est réduite au niveau de conception et la stabilité de fonctionnement du PHE est considérablement améliorée. L'investissement dans les mesures d'ajustement est récupéré en moins de trois mois grâce aux économies d'énergie et à la réduction des coûts de maintenance.
Une entreprise de transformation alimentaire utilise un PHE pour refroidir le lait. Le milieu de conception original est du lait frais avec une viscosité de 1,2 mPa·s, la température d'entrée est de 60°C, la température de sortie est de 4°C et la surface de transfert de chaleur est de 80 m². Le matériau de la plaque est en acier inoxydable 316L et le matériau du joint est en EPDM. En raison du remplacement des sources de lait cru, la viscosité du lait augmente jusqu'à 2,5 mPa·s (en raison de l'augmentation de la teneur en matières grasses) et la densité augmente de 5 %.
Après que la viscosité augmente, les problèmes de fonctionnement du PHE sont les suivants : (1) L'état d'écoulement du lait dans le canal d'écoulement passe d'un écoulement turbulent à un écoulement laminaire, le coefficient de transfert de chaleur par convection diminue de 45 % et le temps de refroidissement est prolongé, ce qui ne peut pas répondre au rythme de production ; (2) La chute de pression augmente de 50 %, entraînant une augmentation de la consommation d'énergie de la pompe à eau de refroidissement ; (3) Le lait à haute viscosité adhère facilement à la surface de la plaque, ce qui entraîne un encrassement et une efficacité réduite du transfert de chaleur après un fonctionnement à long terme.
Les mesures d'ajustement de conception sont les suivantes : (1) Remplacer le type de plaque : sélectionner des plaques ondulées à chevrons avec un angle d'ondulation de 60 ° pour améliorer les turbulences et améliorer le coefficient de transfert de chaleur par convection ; (2) Ajustez le débit : augmentez le débit de lait de 30 % pour augmenter le nombre de Reynolds et restaurer l'état d'écoulement turbulent ; (3) Optimiser la conception du canal d'écoulement : adopter une conception de canal d'écoulement à plusieurs passages pour prolonger le temps de séjour du lait dans le PHE et améliorer l'effet de refroidissement ; (4) Renforcer le nettoyage : augmenter la fréquence du nettoyage CIP (nettoyage en place) pour éviter l'accumulation d'encrassement. Après réglage, le temps de refroidissement du lait est rétabli au niveau d'origine, la chute de pression est réduite de 20 % et le problème d'encrassement est efficacement contrôlé, garantissant ainsi le fonctionnement stable de la chaîne de production.
Pour faire face à l'impact des changements de milieu sur les conditions de conception des PHE, il est nécessaire de formuler des stratégies d'ajustement de conception scientifiques et raisonnables basées sur le type et le degré de changements de milieu, combinées aux exigences opérationnelles réelles du système. Voici les principales stratégies d’ajustement sous cinq aspects :
Lorsque les changements de milieu entraînent une diminution du coefficient de transfert de chaleur, la surface de transfert de chaleur peut être augmentée en augmentant le nombre de plaques ou en sélectionnant des plaques avec une surface spécifique plus grande pour assurer le taux de transfert de chaleur. Pour les supports présentant des changements de phase, le modèle de calcul du transfert de chaleur doit être ajusté et la chaleur latente du changement de phase doit être prise en compte pour calculer avec précision la surface de transfert de chaleur. De plus, le débit du milieu peut être ajusté pour modifier le nombre de Reynolds, améliorer la turbulence et améliorer le coefficient de transfert de chaleur par convection. Pour les fluides à haute viscosité, le débit doit être augmenté de manière appropriée ; pour les fluides à faible viscosité, le débit doit être ajusté pour éviter une chute de pression excessive.
Lorsque les changements de fluide entraînent une chute de pression excessive, la largeur du canal d'écoulement peut être augmentée en sélectionnant un type de plaque avec un canal d'écoulement plus large pour réduire la résistance à l'écoulement. L'angle d'ondulation de la plaque peut être ajusté : un angle d'ondulation plus petit est sélectionné pour réduire la chute de pression, et un équilibre entre l'efficacité du transfert de chaleur et la chute de pression est obtenu. De plus, le nombre de passages du canal d'écoulement peut être réduit pour raccourcir le trajet d'écoulement du fluide et réduire la chute de pression. Pour les supports contenant des particules solides, un dispositif de prétraitement (tel qu'un filtre, un séparateur) doit être ajouté pour éliminer les impuretés et réduire la chute de pression et le risque d'encrassement.
Selon les changements dans les propriétés chimiques du milieu, les matériaux des plaques et des joints doivent être remplacés en temps opportun. Pour les milieux corrosifs, des matériaux à forte résistance à la corrosion (tels que le titane, l'Hastelloy) doivent être sélectionnés ; pour les fluides contenant des solvants organiques, des matériaux de joint offrant une bonne résistance aux solvants (tels que le Viton) doivent être sélectionnés. Pour les milieux à haute température et haute pression, des matériaux à haute résistance mécanique et à haute température doivent être sélectionnés, et l'épaisseur de la plaque doit être augmentée pour assurer la stabilité structurelle. Avant le remplacement du matériau, des tests de corrosion doivent être effectués pour vérifier l'adaptabilité du matériau au nouveau support.
Pour les supports à haute viscosité, sélectionnez un type de plaque avec un canal d'écoulement plus large et un effet de turbulence plus fort ; pour les supports avec changements de phase, sélectionnez un type de plaque adapté au transfert de chaleur à changement de phase ; pour les supports contenant des particules solides, sélectionnez un type de plaque avec une surface lisse et un nettoyage facile. Ajustez la largeur du canal d'écoulement, la direction d'écoulement et le nombre de passages en fonction de l'état d'écoulement et des exigences de transfert de chaleur du nouveau fluide pour garantir que le fluide s'écoule uniformément et que le transfert de chaleur est efficace. Pour les PHE détachables, la disposition des plaques peut être ajustée pour modifier la structure du canal d'écoulement et s'adapter aux changements de milieu.
Pour les supports présentant une forte tendance à l'encrassement, un dispositif de prétraitement doit être ajouté pour éliminer les impuretés et réduire les sources d'encrassement. Optimiser les paramètres de fonctionnement (tels que la température, le débit) pour ralentir le taux d'encrassement. Formulez un plan de nettoyage régulier, adoptez le nettoyage CIP ou le nettoyage manuel pour éliminer la couche d'encrassement à temps et restaurer l'efficacité du transfert de chaleur. Renforcez l'inspection et la maintenance quotidiennes du PHE, vérifiez la surface de la plaque et le joint pour détecter toute corrosion, vieillissement et dommage, et remplacez-les en temps opportun pour garantir la stabilité de fonctionnement.
Les changements de milieu constituent un problème inévitable dans la conception et le fonctionnement des échangeurs de chaleur à plaques, et ils ont un impact global et profond sur les conditions de conception des PHE. Les modifications des propriétés physiques, des propriétés chimiques, des paramètres d'état et de la composition du milieu affecteront directement les performances de transfert de chaleur, la chute de pression, la sélection des matériaux, la structure des plaques et la stabilité de fonctionnement des PHE, entraînant une série de problèmes tels qu'une efficacité de transfert de chaleur réduite, une consommation d'énergie accrue, une corrosion des matériaux et une défaillance de l'équipement.
Grâce à une analyse systématique, il s'avère que l'impact des changements de milieu sur la conception du PHE est une réaction en chaîne : les changements dans les propriétés physiques (en particulier la viscosité et la conductivité thermique) sont les principaux facteurs affectant l'efficacité du transfert de chaleur et la chute de pression ; les changements dans les propriétés chimiques déterminent le choix des matériaux pour les plaques et les joints ; les changements dans les paramètres d'état (en particulier les changements de phase) affectent le type de plaque et la conception du canal d'écoulement ; les changements dans la composition du fluide augmentent le risque d'encrassement et affectent l'efficacité opérationnelle à long terme. Les cas d'ingénierie montrent que des ajustements de conception scientifiques et raisonnables (tels que l'ajustement de la zone de transfert de chaleur, le remplacement des matériaux, l'optimisation de la structure des plaques et le renforcement du contrôle de l'encrassement) peuvent faire face efficacement à l'impact des changements de milieu et assurer le fonctionnement stable et efficace des PHE.
Dans la conception technique pratique, il est nécessaire de prendre pleinement en compte la possibilité de changements de support, de procéder à une analyse approfondie des propriétés du nouveau support et de formuler des stratégies d'ajustement de conception ciblées. Dans le même temps, renforcer la surveillance des paramètres du milieu pendant le fonctionnement, détecter et gérer l'impact des changements du milieu en temps opportun, afin de tirer pleinement parti des avantages des PHE, de réduire la consommation d'énergie et d'améliorer les avantages économiques et sociaux du système. À l'avenir, avec le développement de la technologie industrielle, les types de supports d'échange thermique deviendront plus complexes et la recherche sur l'impact des changements de support sur la conception des PHE sera plus approfondie, ce qui fournira davantage de soutien théorique et de conseils techniques pour l'optimisation et la mise à niveau des PHE.
