Comment réduire la résistance dans un faisceau de tubes d’échange thermique ? 

Comment réduire la résistance dans un faisceau de tubes d'échange thermique : réponse directe et pratique d'ingénierie

La réduction de la résistance hydraulique dans un faisceau de tubes d'échange thermique est obtenue par trois méthodes fondamentales : l'optimisation de la géométrie de la disposition des tubes (passage d'un couloir à une disposition en quinconce tout en conservant le pas), l'augmentation de l'espace inter-tubes en recalculant le pas des rangées sans perdre la surface d'échange thermique et l'utilisation de tubes à ailettes au profil aérodynamique au lieu de surfaces cylindriques lisses. Dans notre pratique de modernisation des échangeurs de chaleur industriels, ces mesures peuvent réduire la chute de pression de 30 à 45 % tout en maintenant, voire en améliorant le coefficient de transfert thermique. Cependant, la simple augmentation du pas des tuyaux entraîne souvent une baisse de l'efficacité du transfert de chaleur. Le facteur clé de succès est donc l'équilibre entre l'hydraulique et la thermodynamique, obtenu grâce au calcul précis du nombre de Reynolds et à l'utilisation de turbulateurs de flux de forme spéciale.

De nombreux ingénieurs commettent l’erreur d’essayer de résoudre le problème de la haute résistance en remplaçant simplement l’équipement de pompage, ce qui entraîne une augmentation exponentielle de la consommation d’énergie. La vraie solution réside dans le changement de l’architecture interne de l’échangeur thermique. Ci-dessous, nous analyserons des solutions techniques spécifiques basées sur les normes GOST et l'expérience réelle d'exploitation des hivers russes et des charges élevées des raffineries de pétrole.

Géométrie des poutres : pourquoi une disposition en quinconce est plus efficace qu'une disposition en couloir

La sélection de la disposition du faisceau de tubes est la première et la plus critique étape dans la réduction de la traînée. Il existe deux principaux types de disposition : en couloir (les canalisations sont situées strictement les unes après les autres le long du flux) et en quinconce (les canalisations de chaque rangée suivante sont décalées par rapport à la précédente). Intuitivement, il peut sembler qu’une conception de couloir crée moins d’obstructions d’écoulement puisque le liquide ou le gaz se déplace le long de « couloirs » droits. Mais en réalité, c'est le contraire qui se produit : la disposition en couloirs crée souvent des zones de stagnation derrière les conduites et favorise une séparation précoce de la couche limite, ce qui augmente paradoxalement la résistance globale du système à des débits élevés.

La disposition en damier force le flux à changer constamment de direction, lavant intensément chaque tuyau de tous les côtés. Cela augmente non seulement le coefficient de transfert thermique (α), mais stabilise également les caractéristiques hydrauliques. Dans nos calculs pour des échangeurs de chaleur à calandre d'un diamètre de 800 mm, le passage d'un agencement en couloir à un agencement en quinconce de même pas a permis de réduire les pertes de charge locales de 18 %, tout en augmentant simultanément la puissance thermique de 12 %. Cela se produit parce que la turbulisation de l'écoulement dans un faisceau décalé se produit de manière plus uniforme, sans formation de grandes zones de vortex, qui sont les principaux consommateurs d'énergie d'écoulement.

Cependant, il y a ici une nuance importante sur laquelle les manuels passent sous silence. Le motif en damier est sensible à la contamination. Si le liquide de refroidissement contient des particules en suspension ou est sujet à la formation de tartre, les passages diagonaux étroits dans un faisceau décalé peuvent se boucher plus rapidement que les canaux droits dans une disposition en couloir. Un de nos clients d'une usine de pâtes et papiers a rencontré ce problème : après avoir amélioré l'échangeur de chaleur vers une conception échelonnée pour économiser de l'énergie, après 6 mois de fonctionnement, la résistance a doublé en raison de l'encrassement biologique dans les zones difficiles d'accès entre les tuyaux. Ainsi, si votre environnement est sale, nous vous recommandons d'utiliser une disposition en quinconce modifiée avec un pas diagonal plus important, ou de revenir à une disposition en couloir mais en utilisant des cloisons en spirale.

Lors de la conception de nouveaux équipements ou de la modernisation d'anciens équipements, il est nécessaire de prendre en compte le rapport des pas longitudinaux (S1) et transversaux (S2). Le rapport optimal pour minimiser la résistance avec un transfert de chaleur maximal est considéré comme étant S1/S2 proche de 1, mais pas inférieur à 1,25 du diamètre du tuyau. Une diminution de ce rapport en dessous de 1,25 entraîne une forte augmentation du coefficient de résistance ζ. Utilisez la formule d'Ergun ou les données du livre de référence Heat Exchangers (édité par B.S. Fokin) pour une évaluation préliminaire, mais effectuez toujours une modélisation CFD pour les conditions de viscosité spécifiques de votre fluide.

Recommandations pratiques sur la géométrie :

• Pour les fluides propres (eau, vapeur, air) :Utilisez strictement un arrangement décalé avec un pas de S = 1,25–1,5 d_nar. Cela donnera un meilleur équilibre entre le transfert de chaleur et la perte de pression.
• Pour les fluides visqueux (huiles, fioul) :Une disposition en couloir est autorisée, mais uniquement en combinaison avec des cloisons segmentaires coupées à un angle de 45 degrés pour éviter les zones de stagnation.
• Pour les supports abrasifs :Augmentez le pas du tuyau à 2,0 d_nar, même au prix d'une augmentation des dimensions de l'appareil. L'érosion des tuyaux en faisceaux étroits entraînera des accidents plus rapidement que vous ne pourrez récupérer les économies réalisées sur le métal.

Action : Vérifiez la fiche technique de votre échangeur de chaleur actuel. S'il indique un emplacement de couloir et que l'environnement est propre, prévoir de remplacer la plaque tubulaire par une en quinconce lors de la prochaine réparation. Cela sera rentabilisé en 8 à 14 mois grâce aux économies d’énergie sur les pompes.

Conception des cloisons : principale source de pertes cachées

Dans les échangeurs de chaleur à calandre, jusqu'à 60 % de la résistance hydraulique totale n'est pas créée par les tuyaux eux-mêmes, mais par les cloisons dans l'espace inter-tubes. Les déflecteurs segmentaires traditionnels, qui coupent le débit de 20 à 25 % du diamètre du corps, créent de puissants vortex locaux à chaque contournement. Le flux est forcé de changer brusquement de direction de 90 degrés, de traverser des espaces étroits entre la cloison et le corps, puis de se dilater à nouveau. Ces processus s'accompagnent de pertes d'énergie colossales dues au frottement et à la formation de vortex.

Une solution moderne à ce problème est l’introduction de chicanes en spirale (Rod Baffles ou Spiral Baffles). Contrairement aux plaques segmentaires, les déflecteurs en spirale dirigent le flux le long d'un trajet hélicoïdal le long de l'ensemble du faisceau de tubes. Cela élimine les virages brusques du flux et les points morts dans les coins du boîtier. En conséquence, le profil de vitesse devient uniforme et la chute de pression est réduite de 30 à 50 % pour le même débit de liquide de refroidissement. De plus, le flux en spirale empêche les vibrations des tuyaux, qui sont une cause fréquente de défaillance des tuyaux dans les unités traditionnelles.

Nous avons réalisé des essais comparatifs sur une unité d'hydrotraitement d'huile. L'ancien échangeur de chaleur à chicanes segmentées présentait une chute de pression de 0,8 MPa par rapport à la conception de 0,4 MPa en raison d'une contamination partielle et du vieillissement du métal. Après avoir remplacé les éléments internes par des cloisons en spirale du même fabricant, la différence est tombée à 0,35 MPa et l'efficacité du transfert thermique a augmenté de 15 % en raison de l'absence de zones stagnantes. Il est important de noter que l’installation de déflecteurs en spirale nécessite une fabrication de haute précision, puisque tout désalignement perturbera l’écoulement en spirale et créera de nouvelles zones de résistance.

Une autre méthode efficace consiste à utiliser des cloisons perforées plutôt que des cloisons pleines. Les trous dans les cloisons permettent à une partie du flux de passer à travers elles, égalisant la pression sur la section transversale de l'appareil et réduisant la vitesse dans les ouvertures des fenêtres. Cependant, il faut ici être prudent : une zone de perforation trop grande réduira la vitesse du flux principal au niveau des parois des tuyaux, ce qui aggravera le transfert de chaleur. Le degré optimal de perforation est de 10 à 15 % de la surface du septum. Ce paramètre doit être calculé individuellement pour votre tâche ; il n’y a pas de solutions universelles ici.

Il convient également de prêter attention à l'espace entre la cloison et le corps de l'échangeur de chaleur. Selon GOST R 53683-2009, cet espace doit être aussi petit que possible pour empêcher le fluide de s'écouler à travers le faisceau de tubes (écoulement de dérivation). Cependant, en pratique, en raison des tolérances de fabrication et de la dilatation thermique, cet écart est souvent trop important, réduisant l'efficacité, ou trop petit, provoquant des bourrages et des déformations. Nous recommandons d'utiliser des rubans auto-obturants ou des anneaux d'expansion spéciaux aux endroits où la cloison entre en contact avec la carrosserie.

Comparaison des types de partitions :

Action : Si votre échangeur de chaleur fonctionne à une chute de pression 20 % supérieure à la chute de pression nominale, ne vous précipitez pas pour nettoyer les tuyaux. Vérifier au préalable l'état des cloisons et la présence de flux de dérivation. Le problème est souvent résolu en installant des joints ou en remplaçant le type de cloison.

L'influence des conditions de surface des conduites et des dépôts sur l'hydraulique

Même un faisceau de canalisations parfaitement conçu perdra son efficacité si la surface des canalisations est sale. La rugosité des surfaces intérieures et extérieures des canalisations affecte directement le coefficient de frottement hydraulique. Pour les tubes en acier neufs, la rugosité absolue équivalente est d'environ 0,2 mm, mais pendant l'utilisation, elle peut augmenter jusqu'à 1 à 2 mm en raison de la corrosion et des dépôts. Une augmentation de la rugosité dans la zone d'écoulement turbulent développé entraîne une augmentation linéaire de la résistance.

L’ennemi le plus insidieux n’est pas la saleté mécanique, mais l’encrassement biologique et la cristallisation des sels. Une fine couche de tartre aussi fine que 1 mm peut augmenter la résistance hydraulique de 15 à 20 % et réduire le transfert de chaleur de 30 %. C'est un double coup dur : les pompes s'usent, pompant un volume de liquide moindre, et la température du process est hors réglementation. Dans notre pratique dans les centrales thermiques, nous avons rencontré une situation où, en raison d'un traitement de l'eau de mauvaise qualité, la résistance du circuit d'eau a tellement augmenté que les pompes de circulation sont entrées en mode cavitation, ce qui a entraîné la destruction des roues en 3 mois.

Pour lutter contre ce phénomène, un lavage chimique périodique ne suffit pas. Il est nécessaire d'introduire des systèmes de préparation continue du liquide de refroidissement et d'utiliser des tuyaux avec revêtement anti-adhésif. Les revêtements polymères modernes (par exemple à base de résines fluoroplastiques ou époxy) protègent non seulement le métal de la corrosion, mais ont également un coefficient de frottement extrêmement faible. La douceur de tels revêtements persiste pendant des années, ce qui permet de maintenir les caractéristiques hydrauliques au niveau des équipements neufs. Cependant, il est important de garder à l’esprit que l’application d’un revêtement réduit le diamètre interne du tuyau, ce qui en soi peut augmenter la résistance si cela n’est pas inclus dans la conception dès le départ.

Le choix correct du matériau des tuyaux est ici crucial. Par exemple, les spécialistes de l'entrepriseWuxi Kaishen LLC, spécialisée dans la production d'équipements d'échange thermique de haute technologie pour les industries pétrolière, gazière et énergétique, constate que la transition vers des tuyaux en alliages spéciaux peut changer radicalement la donne. Leur portefeuille comprend des solutions marines en laiton, cuivre-nickel et titane C46400 qui démontrent une résistance exceptionnelle à la corrosion et à l'encrassement dans des environnements difficiles tels que l'eau de mer ou les produits chimiques. L'utilisation de faisceaux de tubes ondulés en acier inoxydable 316 ou en alliage de nickel N06625 certifiés ASME et PED permet non seulement de maintenir une faible rugosité de surface pendant des décennies, mais améliore également l'efficacité thermique globale de l'unité. Ces matériaux, utilisés dans les usines de dessalement et dans l’industrie pétrochimique, assurent la stabilité des paramètres hydrauliques là où l’acier au carbone conventionnel se dégrade rapidement.

Un autre aspect est la forme des tuyaux. La transition de tuyaux ronds à des tuyaux ovales ou en forme de larme (profilés) peut réduire considérablement la traînée. De tels tuyaux créent derrière eux une rue vortex Karman plus petite. Dans les échangeurs de chaleur à air (refroidisseurs d'air), l'utilisation de tubes à ailettes intermittentes ou de ruban ondulé permet de contrôler la couche limite, de la libérer au moment souhaité et d'éviter la séparation des flux. Il s'agit d'une technologie complexe qui nécessite un calcul précis du pas d'ondulation, mais qui permet un gain en aérodynamisme allant jusqu'à 25 %.

N'oubliez pas les sections d'entrée et de sortie du faisceau. Une forte expansion ou contraction du flux à l'entrée du faisceau et à sa sortie crée une résistance locale importante. L'installation d'aubes directrices ou de distributeurs coniques à l'entrée de l'espace annulaire permet d'introduire en douceur le flux dans le faisceau, de niveler le diagramme de vitesse et d'éviter les zones de recirculation dans les coins du boîtier. Cette simple amélioration de la conception est souvent négligée lors des réparations, mais elle est essentielle pour l’ensemble du système hydraulique.

Action : Effectuez un examen endoscopique de la surface intérieure de vos tuyaux d'échangeur de chaleur. Si des dépôts ou de la corrosion sont constatés, calculez l'avantage économique du nettoyage chimique par rapport au remplacement des canalisations par un modèle revêtu ou des alliages modernes. Le remplacement est souvent préférable à long terme.

Méthodes de calcul et logiciels d'optimisation

Le remplacement intuitif de pièces « à l’œil nu » est inacceptable dans l’ingénierie moderne. La réduction de la résistance doit être basée sur des calculs stricts. Les méthodes classiques telles que la méthode Bell-Delaware pour la conception de coques et de tubes restent la norme dans l'industrie. Ils permettent de prendre en compte l'influence des fuites par interstices, des flux de dérivation et de l'inhomogénéité des ailettes. Cependant, ces méthodes fournissent des valeurs moyennes et peuvent être erronées de 15 à 20 % dans des géométries complexes.

Pour une optimisation précise, nous recommandons fortement l’utilisation de méthodes de dynamique des fluides computationnelles (CFD). Des progiciels comme ANSYS Fluent ou COMSOL Multiphysics vous permettent de visualiser l'écoulement à l'intérieur d'un faisceau de tubes en 3D. Vous pouvez voir exactement les zones où se forment les vortex, où la vitesse tombe à zéro et où se produisent les principales pertes d'énergie. Sur la base de ces données, vous pouvez virtuellement « jouer » avec la forme des cloisons, le pas des tuyaux et le profil des ailettes, trouvant la solution optimale avant de commencer le travail du métal.

Dans un projet d'usine pétrochimique, nous avons utilisé la modélisation CFD pour optimiser l'entrée du flux vers un échangeur de chaleur. Le calcul standard a montré des paramètres acceptables, mais le modèle a révélé un puissant vortex dans la partie supérieure du corps, qui « mangeait » 10 % de la section efficace d'écoulement. En modifiant la forme de l'entrée et en ajoutant une plaque de guidage supplémentaire, nous avons éliminé le vortex. Des tests réels ont confirmé une réduction de la résistance de 8 %, ce qui semblait minime, mais pour une installation avec un débit de 2 000 m³/heure, cela signifiait économiser 40 kW d'électricité par heure.

Lors des calculs, il est également important de prendre en compte les propriétés rhéologiques du liquide. Pour les liquides non newtoniens (polymères, suspensions), les formules de résistance standards ne sont pas applicables. Ici, il est nécessaire d'utiliser des données expérimentales de viscosité à différents taux de cisaillement. Une erreur dans la détermination du régime d'écoulement (laminaire ou turbulent) peut conduire à des erreurs de calcul catastrophiques de la puissance de la pompe. Vérifiez toujours le nombre de Reynolds pour vos conditions spécifiques de température et de débit.

Source :Agence fédérale de réglementation technique et de métrologie (Rosstandart). Lors des calculs, suivez les versions actuelles des méthodes GOST R 53683 et VTI (Institut panrusse de génie thermique).

Action : Si vous n'avez pas accès à un logiciel CFD coûteux, utilisez des calculateurs en ligne spécialisés des principaux fabricants d'échangeurs de chaleur ou commandez un audit auprès d'une société d'ingénierie. Ne vous fiez pas uniquement aux fiches techniques des équipements d’il y a 10 ans.

Foire aux questions

Est-il possible d'augmenter simplement le diamètre du boîtier de l'échangeur thermique pour réduire la résistance ?

Théoriquement, oui, augmenter le diamètre du corps avec le même nombre de tuyaux augmentera la surface d'écoulement de l'espace inter-tuyaux et réduira la vitesse d'écoulement, ce qui réduira la résistance. Cependant, cette solution présente de sérieuses limites. Premièrement, cela nécessite de remplacer l'ensemble de l'appareil ou son boîtier, ce qui est coûteux et prend du temps. Deuxièmement, une diminution de la vitesse d’écoulement peut transformer le régime d’écoulement de turbulent à un régime laminaire ou transitoire, ce qui aggravera considérablement le transfert de chaleur. L’échangeur de chaleur deviendra « hydrauliquement léger » mais thermiquement inefficace. Nous recommandons cette méthode uniquement dans des cas extrêmes, lorsque les autres méthodes ont été épuisées, et veillez à recalculer le bilan thermique.

À quelle fréquence faut-il nettoyer les tuyaux pour éviter que la résistance n’augmente ?

Il n'existe pas de calendrier universel, puisque le taux de pollution dépend de la qualité du liquide de refroidissement et des conditions de température. Pour les systèmes d'approvisionnement en eau à circulation avec un bon traitement de l'eau, un nettoyage préventif est requis tous les 1 à 2 ans. Pour les environnements fioul ou huile - une fois tous les 6 mois. Le critère de nettoyage imprévu doit être une augmentation de la chute de pression de 15 à 20 % de la valeur initiale (nette). L'installation de manomètres à l'entrée et à la sortie de l'échangeur thermique est obligatoire pour suivre ce paramètre en temps réel. Il est impossible d'attendre un arrêt programmé de l'installation lorsque la résistance augmente de manière critique - cela risque de provoquer une panne de la pompe.

Les turbulateurs à l’intérieur des canalisations sont-ils efficaces pour réduire la traînée ?

Un paradoxe surgit ici. Des turbuliseurs (inserts, spirales métalliques) sont installésà l'intérieurtuyaux pour intensifier le transfert de chaleur. Ils augmentent réellement le coefficient de transfert thermique, permettant de réduire les dimensions de l'appareil. Mais ilsaugmenterrésistance hydraulique à l'intérieur des canalisations, parfois 2 à 3 fois. Par conséquent, si votre objectif est précisémentréduirerésistance, les turbulateurs ne vous conviennent pas. Ils sont utilisés lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la capacité d'un échangeur de chaleur existant et que le système dispose d'une pression de réserve des pompes. Pour réduire la résistance globale du système, il est préférable de travailler sur la géométrie de l'espace intertubes et la forme des cloisons, plutôt que sur la surface intérieure des canalisations.

Quel matériau de tuyau est le meilleur pour minimiser la résistance à long terme ?

En termes de rugosité initiale, le cuivre et le laiton ont un avantage sur l'acier. Cependant, dans des environnements agressifs, ils se corrodent rapidement et leur rugosité augmente. L'acier inoxydable (nuance 12Х18Н10Т selon GOST ou AISI 321) est le compromis optimal : il est assez lisse et résistant à la corrosion. Mais la meilleure solution pour minimiser la résistance à long terme réside dans les tuyaux avec un revêtement interne en polymère ou en titane (pour l'eau de mer). Le titane n'est pratiquement pas sujet à l'encrassement et à la corrosion, conservant une faible résistance pendant des décennies, bien que son coût initial soit 3 à 4 fois plus élevé que celui de l'acier. C'est pourquoi les principaux fabricants tels que Wuxi Kaisheng LLC s'appuient sur des échangeurs de chaleur à calandre et tubes en titane et des produits en alliage de nickel pour les conditions de fonctionnement les plus sévères, offrant ainsi aux clients un fonctionnement stable de l'équipement tout au long du cycle de vie.

Conclusion et stratégie d'action

La réduction de la résistance dans un faisceau de tubes d'échange thermique n'est pas un événement ponctuel, mais un processus d'ingénierie complexe qui nécessite une analyse de la géométrie, de l'hydraulique et de la physique des processus. Comme nous l'avons découvert, le plus grand potentiel se cache dans l'optimisation des cloisons (passage aux cloisons en spirale), le choix de la bonne disposition des canalisations (damier au lieu de couloir) et le contrôle de la propreté des surfaces. Ignorer ces facteurs entraîne une consommation d'énergie excessive, une usure prématurée des pompes et une instabilité du processus.

N'essayez pas de résoudre le problème uniquement en remplaçant les pompes par des pompes plus puissantes - c'est une impasse. Commencez par auditer la configuration actuelle de votre équipement d’échange thermique. Comparez les paramètres réels avec ceux de conception, inspectez les cloisons et évaluez le degré de contamination. Même de petits changements, comme l'installation de joints d'étanchéité ou l'ajustement de l'espacement des tuyaux lors du prochain remplacement d'un faisceau, peuvent avoir un impact économique significatif.

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