Base de connaissances
Un échangeur de chaleur transfère la chaleur d'un fluide à un autre sans les mélanger. Cette seule phrase couvre le radiateur d'un camion, le condenseur d'un réfrigérateur et le générateur de vapeur d'une centrale, et l'ingénierie réside dans la façon dont les deux fluides sont mis en présence. Trois familles font l'essentiel du travail dans la production d'énergie et l'industrie : l'échangeur de chaleur à air, où le second fluide est l'atmosphère ; l'échangeur à plaques, où deux liquides se rencontrent à travers de fines plaques embouties ; et l'échangeur à faisceau tubulaire, où un fluide circule dans un faisceau de tubes et l'autre autour d'eux.
Ce guide explique chaque type, ses points forts, et la façon dont un système de refroidissement de moteur les utilise tous les trois.
Échangeurs de chaleur à air : batteries à tubes à ailettes et ventilateurs
Quand la chaleur doit finir dans l'atmosphère, l'air est le second fluide, et l'air est un mauvais conducteur à faible capacité thermique. L'échangeur de chaleur à air compense par la surface : une batterie de tubes à ailettes place une grande surface de fines ailettes en aluminium dans le flux d'air, et des ventilateurs font passer l'air à travers elles. Les radiateurs, les aéroréfrigérants, les condenseurs à air et les batteries d'air d'admission de turbines à gaz appartiennent tous à cette famille.
Ses atouts sont l'indépendance - pas d'eau, pas de second circuit, pas de pompe - et la robustesse. Ses limites sont la température ambiante, en dessous de laquelle il ne peut jamais refroidir, l'espace que demande la surface frontale de la batterie, et le bruit des ventilateurs, que la conception maîtrise par le choix et la vitesse des ventilateurs. C'est l'étage final de tout système de refroidissement de moteur et la gamme de produits de TECS.
Échangeurs à plaques : de liquide à liquide dans un faible volume
Un échangeur à plaques est un empilement de plaques ondulées en acier inoxydable, à joints ou brasées, les deux liquides circulant dans des canaux alternés. Les ondulations rendent l'écoulement turbulent et les plaques sont minces, si bien que les coefficients d'échange thermique sont élevés et que l'appareil est compact : pour une puissance donnée, un échangeur à plaques ne représente qu'une fraction de la taille d'un appareil à faisceau tubulaire. Les appareils à joints peuvent être ouverts et agrandis ; les appareils brasés sont scellés et moins chers.
Ils servent partout où deux liquides échangent de la chaleur à pression et température modérées : séparer un circuit d'eau brute du liquide de refroidissement du moteur, récupérer la chaleur d'un moteur de cogénération vers un réseau de chauffage, refroidir l'huile de lubrification avec le liquide de refroidissement. Leurs points faibles sont l'encrassement dans les canaux étroits, les limites des joints en température et vis-à-vis des produits chimiques, et la perte de charge qu'imposent les canaux étroits.
Faisceau tubulaire : la référence pour les usages sévères
Un faisceau de tubes dans une calandre cylindrique ; un fluide dans les tubes, l'autre autour d'eux, guidé par des chicanes. C'est la conception la plus ancienne et elle reste la référence là où les pressions sont élevées, les températures extrêmes, les fluides sales, ou lorsqu'un côté est un gaz ou une vapeur en condensation. Les refroidisseurs d'huile, les refroidisseurs de carburant, les refroidisseurs d'air de suralimentation à eau, les condenseurs de vapeur et les échangeurs de raffinerie sont à faisceau tubulaire.
Il est plus grand et plus lourd qu'un appareil à plaques pour la même puissance, mais il tolère l'encrassement, peut être nettoyé mécaniquement, est construit selon les codes des appareils à pression pour toute pression, et son faisceau de tubes peut être remplacé. TECS fournit des refroidisseurs d'huile et de carburant à faisceau tubulaire en complément de ses radiateurs lorsque l'ensemble de refroidissement l'exige.
Comment un système de refroidissement de moteur utilise les trois
Un gros moteur rejette de la chaleur par ses cylindres, son air de suralimentation, son huile de lubrification et parfois son carburant. À l'intérieur de l'ensemble moteur, l'huile et l'air de suralimentation sont généralement refroidis par le liquide de refroidissement dans des échangeurs à faisceau tubulaire ou à plaques ; le liquide de refroidissement transporte ensuite le tout jusqu'à l'étage final refroidi par air - le radiateur déporté ou aéroréfrigérant - qui cède la chaleur à l'atmosphère. Dans une centrale de cogénération, un échangeur à plaques se trouve entre le liquide de refroidissement du moteur et le réseau de chauffage, et un aéroréfrigérant de secours prend le relais lorsque le réseau ne peut pas absorber la chaleur.
TECS étudie l'étage refroidi par air et sélectionne les échangeurs à plaques et à faisceau tubulaire qui en font partie, de sorte que tout le circuit respecte les débits, les températures et les pertes de charge du constructeur du moteur. Envoyez la fiche technique du moteur ou les données du procédé, et la proposition énumère chaque échangeur de l'ensemble.
En bref
- À air : de liquide à air par tubes à ailettes et ventilateurs ; radiateurs, aéroréfrigérants, batteries d'admission
- À plaques : de liquide à liquide à travers des plaques embouties ; compact, efficace, pression modérée
- À faisceau tubulaire : tubes dans une calandre ; haute pression, fluides sales, gaz et vapeurs
- Un ensemble moteur utilise les trois et se termine par l'étage refroidi par air
- TECS construit l'étage refroidi par air et fournit avec lui les échangeurs d'huile, de carburant et à plaques
- Chaque échangeur d'un ensemble est sélectionné selon les limites du constructeur du moteur
Pour faire étudier un ensemble de refroidissement
- Marque et modèle du moteur avec sa fiche technique de refroidissement, ou les charges thermiques du procédé
- Quelles sources de chaleur doivent être refroidies : eau de chemises, air de suralimentation, huile, carburant
- Fluides de chaque côté et leurs températures
- Température ambiante du site, altitude et installation
- Pertes de charge admissibles et pompes disponibles
- Espace et limite sonore pour l'étage refroidi par air
Les questions qu'on nous pose souvent
Quel échangeur de chaleur est le plus efficace ?
De liquide à liquide, l'échangeur à plaques offre le plus de transfert de chaleur par unité de volume. Pour une chaleur qui doit finir dans l'atmosphère, seul un appareil refroidi par air convient, et son efficacité est une question de surface et de puissance des ventilateurs. Le bon type est déterminé par les fluides, pas par un classement.
Qu'est-ce qu'un radiateur dans ces termes ?
Un échangeur de chaleur refroidi par air pour le liquide de refroidissement d'un moteur : une batterie de tubes à ailettes avec ventilateurs. Monté sur le moteur, sur le châssis, ou déporté avec des ventilateurs électriques lorsqu'il est installé à part du moteur.
Un échangeur à plaques peut-il refroidir avec de l'air ?
Non ; les échangeurs à plaques sont destinés à deux liquides. L'air exige la grande surface d'une batterie de tubes à ailettes. Dans un système de moteur, l'échangeur à plaques refroidit un liquide avec un autre, et l'appareil refroidi par air refroidit cet autre liquide avec l'atmosphère.
Pourquoi les refroidisseurs d'huile sont-ils souvent à faisceau tubulaire ?
L'huile est visqueuse et peut transporter des débris ; le côté tubes tolère les deux et peut être nettoyé. Les pressions sont plus élevées que ce que supportent les joints de plaques, et l'appareil à faisceau tubulaire est construit selon le code des appareils à pression sans mesures particulières.
TECS construit-il les trois types ?
TECS conçoit et construit les échangeurs de chaleur refroidis par air - radiateurs déportés, appareils en V, batteries d'admission, modules de chauffage - et fournit les échangeurs à plaques et à faisceau tubulaire d'huile, de carburant et de récupération de chaleur qui font partie du même ensemble de refroidissement.
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