Repousser les limites physiques des processus industriels

Dans les secteurs de la fabrication d'équipements de pointe et des industries énergétiques et chimiques, les ingénieurs sont confrontés à des défis extrêmes sans précédent. De la production pétrolière et gazière sous-marine à des profondeurs atteignant 3 000 mètres aux stations de ravitaillement en hydrogène fonctionnant à des pressions de 70 MPa, en passant par les systèmes de production d'énergie nucléaire de quatrième génération et les centrales supercritiques visant une efficacité thermique optimale, les échangeurs de chaleur traditionnels ne peuvent plus s'adapter à ces conditions d'exploitation extrêmes. Les échangeurs de chaleur tubulaires classiques, bien que technologiquement éprouvés, nécessitent des parois d'épaisseur exponentiellement plus importantes pour les fluides à haute pression. Il en résulte des équipements massifs et d'un poids considérable, incompatibles avec les exigences strictes de légèreté des équipements offshore. Par ailleurs, les échangeurs de chaleur à plaques, qu'ils soient à joints ou soudés, sont compacts, mais la nature de leurs plaques et de leurs systèmes d'étanchéité les empêche de supporter des pressions supérieures à 10 MPa ou des températures extrêmement élevées. C'est dans ce contexte que l'échangeur de chaleur à circuit imprimé (PCHE) est apparu comme une solution sur mesure. Grâce à la conception de ses canaux thermiques de haute précision et à deux procédés de fabrication clés (gravure chimique et brasage par diffusion sous vide), l'échangeur de chaleur à plaques (PCHE) réalise trois avancées majeures en matière de performances : une résistance à la pression ultra-élevée, une tolérance aux écarts de température extrêmes et une structure exceptionnellement compacte. Du point de vue des applications pratiques, cet article présente une analyse approfondie de l'application du PCHE développé par Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) dans des contextes clés tels que l'énergie hydrogène et l'exploitation pétrolière et gazière offshore.

Infrastructure énergétique hydrogène : Gestion de la haute pression et du pré-refroidissement

L'énergie hydrogène est reconnue comme l'énergie propre par excellence. Cependant, ses propriétés physiques intrinsèques – une extrême difficulté de compression et une forte propension aux fuites – imposent des exigences quasi-strictes aux équipements d'échange thermique. Grâce à sa conception et à ses caractéristiques de fabrication uniques, l'échangeur de chaleur à plaques (PCHE) de SHPHE est devenu l'équipement de référence pour relever les défis posés par les hautes pressions et les températures cryogéniques dans les applications de l'énergie hydrogène.

Défis d'ingénierie des systèmes de pré-refroidissement des stations de ravitaillement en hydrogène (SRH)

Pour accroître l'autonomie des véhicules à pile à combustible, les normes internationales de ravitaillement imposent un ravitaillement rapide à haute pression (70 MPa). Le principal défi technique réside dans cette exigence : l'échangeur de chaleur doit résister à des pressions de fonctionnement extrêmement élevées (100 MPa en moyenne) et supporter des cycles de pression et de température importants. L'échangeur de chaleur à plaques (PCHE) développé par SHPHE supporte une pression de conception maximale de 100 MPa, garantissant ainsi une sécurité optimale pour les opérations de ravitaillement à 70 MPa. Sa structure monobloc, obtenue par soudage par diffusion, élimine tout risque de fuite sous haute pression.

Sélection des matériaux :SHPHE utilise de l'acier inoxydable austénitique 316L ou des alliages à base de nickel. Ces matériaux présentent une excellente résistance à la fragilisation par l'hydrogène dans les environnements à haute pression d'hydrogène, empêchant efficacement les atomes d'hydrogène de pénétrer dans le réseau métallique et de provoquer une rupture fragile.

Résistance à la fatigue structurelle :Le brasage par diffusion du métal de base du PCHE lui confère une durée de vie en fatigue exceptionnelle. Ceci permet à l'unité de résister à des dizaines de milliers de cycles de charge-décharge sous pression pendant toute la durée de vie d'une station de ravitaillement en hydrogène.

Ingénierie pétrolière et gazière offshore : réduire l'emprise au sol sur l'espace précieux du pont

Sur les FPSO (unités flottantes de production, de stockage et de déchargement) ou les plateformes de forage en eaux profondes, l'espace et la charge utile sont des ressources extrêmement coûteuses. Chaque tonne supplémentaire ajoutée à une plateforme augmente considérablement le coût de sa structure flottante sous-jacente.

Problème lié au processus : la manipulation du gaz naturel à haute pression

Le gaz naturel extrait des gisements en eaux profondes présente une pression extrêmement élevée, de l'ordre de 10 à 20 MPa, généralement associée à une température et une humidité élevées. Avant son transport par pipeline ou sa liquéfaction, il doit subir une déshydratation, une élimination des hydrocarbures lourds et un refroidissement intermédiaire par compresseur. Si un échangeur de chaleur à calandre et tubes est utilisé, l'épaisseur de sa calandre doit être excessive pour résister à une pression de 20 MPa. En tenant compte du poids en fonctionnement, l'équipement atteint souvent plusieurs centaines de tonnes. Ceci occupe non seulement un espace précieux sur le pont, mais pose également d'énormes défis pour le contrôle du centre de gravité et les systèmes de support structurel de la plateforme. La compacité d'échange thermique de l'échangeur PCHE de SHPHE peut atteindre 2 500 m²/m³, pour un poids réduit d'environ 80 % par rapport aux échangeurs de chaleur à calandre et tubes classiques.

Résumé

En résumé, les produits PCHE de SHPHE ne sont pas de simples échangeurs de chaleur monofonctionnels, mais des solutions thermiques complètes conçues spécifiquement pour les scénarios industriels extrêmes.

Pression et température de conception :Avec une résistance à la pression de 100 MPa et une tolérance à la température de 850 °C, le PCHE de SHPHE bénéficie d'avantages technologiques distincts.

Procédés de fabrication :SHPHE maîtrise les procédés de gravure et de soudage pour une gamme diversifiée de matériaux, allant des aciers inoxydables austénitiques 304/316L au titane résistant à l'eau de mer, en passant par les alliages à base de nickel adaptés aux milieux à haute température et hautement corrosifs.

Échelle de production :Une seule unité peut fournir une surface d'échange thermique allant jusqu'à 8 000 m², démontrant ainsi la capacité de SHPHE à soutenir des projets pétroliers, gaziers et énergétiques de grande envergure.

Services de personnalisation :Tirant parti de la flexibilité de la gravure chimique, SHPHE peut fournir à ses clients des configurations de canaux entièrement personnalisées afin d'obtenir un équilibre optimal entre la perte de charge et l'efficacité du transfert de chaleur.