Échangeurs de chaleur à plaques de circuits imprimés soudés vs. joints - Comparaison complète

Échangeur de chaleur transfert de chaleur entre les fluides sans les mélanger. Parmi les conceptions compactes et à haute efficacité, on trouve les échangeurs de chaleur à plaques, qui utilisent des plaques métalliques pour conduire la chaleur. Trois conceptions de plaques clés - plaque jointe, plaque soudée et circuit imprimé (PCHE) - utilisent chacune des plaques empilées mais diffèrent dans la construction. Cet article compare leur structure, leurs performances, leur entretien, leur coût et leurs utilisations dans l'industrie. Nous indiquerons également comment chacun s'intègre dans des secteurs tels que la pétrochimique, la CVC, la production d'énergie et plus encore.

Échangeurs de chaleur Plate Heat Exchange

Les échangeurs de chaleur à plaques soudées utilisent également une pile de plaques ondulées, mais les plaques sont soudées ou brasées ensemble en permanence à leurs bords, éliminant ainsi les joints.

Les feuilles soudées HT-Bloc ou TP de SHPHE en sont des exemples : un ensemble de plaques soudées insérées dans un cadre robuste avec des couvercles vissés. Le résultat est qu ' il conserve le transfert de chaleur élevé des plaques tout en acquérant une tolérance beaucoup plus élevée à la pression et à la température.

Structure :

Un échangeur de plaques soudé est essentiellement un bloc solide de plaques métalliques avec des canaux internes. Par exemple, la plaque soudée HT-Bloc de SHPHE combine la haute efficacité de transfert de chaleur des échangeurs à plaques et la haute résistance à la pression et à la température de la coque et du tube.

Performance :

Les unités de plaques soudées comblent l'écart entre les plaques jointes et les échangeurs de coque complète.

Les modèles TP de SHPHE peuvent tolérer jusqu'à ~ 60 bar et 900 ° C (et les types HT-Bloc jusqu'à 40 bar, -40 ° C à 400 ° C). Leurs performances thermiques sont encore très élevées - la géométrie de la plaque induit un excellent transfert de chaleur. Ces unités atteignent souvent des approches de température très rapprochées, similaires à des plaques jointes, car les chemins d'écoulement internes peuvent être optimisés.

Maintien :

Voici une différence clé : les unités soudées n'ont pas de joints remplaçables, de sorte qu 'elles fuient rarement, mais elles ne peuvent pas non plus être facilement démontrées. Si la conception le permet, les utilisateurs ouvrent l'échangeur en déboulonnant les couvercles - l'emballage de plaques se lève pour le nettoyage.

Coût :

Les échangeurs de chaleur à plaques soudées coûtent plus que les modèles joints. Le processus de soudage ou de brasage, ainsi que les matériaux lourds, ajoutent des frais de fabrication. Cependant, ils sont généralement moins chers que les PCHEs car ils ne nécessitent pas d'usinage exotique.

Industrie :

SHPHE met en avant les unités soudées dans le raffinage de pétrole et le service de GNL. Ils apparaissent également dans la production d'énergie (récupération de la chaleur résiduelle, refroidisseurs d'huile de lubrification de turbine) et dans les systèmes offshore ou marins, où la robustesse et l'étanchéité aux fuites sont cruciales. Toute usine nécessitant un transfert de chaleur efficace, mais avec des fluides difficiles ou des conditions de haute pression choisit souvent des plaques soudées.

Échangeur de chaleur Plate Heat Exchange

Échangeurs de chaleur à plaques joints se composent de nombreuses plaques métalliques minces et ondulées serrées ensemble dans un cadre, avec des joints en caoutchouc ou en élastomère scellant les canaux d'écoulement. Les fluides chauds et froids s'écoulent dans des canaux alternatifs (généralement à contre-courant), transférant la chaleur à travers les plaques. Cette conception modulaire - mise en évidence dans la documentation de SHPHE - les rend très compacts (souvent 70 - 90% plus petits que les unités coquille-tube).

Ils sont populaires dans le climatiseur, la réfrigération, les aliments et les boissons, le traitement chimique et les applications pétrochimiques légères, où la facilité de nettoyage et l'hygiène sont précieuses.

Performance :

Ils peuvent gérer des charges de chauffage / refroidissement élevées mais des pressions et des températures relativement douces par rapport aux types soudés ou PCHE. Un avantage majeur est le rapport surface / volume très élevé (les plaques peuvent atteindre 100 - 200 m2 / m3), de sorte que l'échangeur s'adapte à une petite empreinte.

Maintien :

Parce qu 'ils sont joints et boulonnés, ces échangeurs peuvent être facilement démontables. Les utilisateurs peuvent faire glisser ou retirer les plaques pour les nettoyer (ou utiliser le nettoyage en place CIP) et remplacer les joints usés au besoin. Cela permet un démontage facile, facilitant le nettoyage et l'entretien simples.

Le compromis est que les joints sont des objets usés : au fil du temps, ils doivent être inspectés ou remplacés, et un mauvais joint peut provoquer des fuites.

Coût :

Les unités joints sont généralement les moins chères des trois. Ils utilisent des plaques standard en acier inoxydable et des joints en caoutchouc, avec des cadres boulonnés simples.

Dans les applications avec des budgets limités ou où le démontage est souhaité (par exemple, brasseries, CVC), les échangeurs joints sont courants. Leur prix inférieur est associé à des pressions inférieures, de sorte que pour les tâches à très haute pression ou à haute température (par exemple, réacteurs chimiques, vapeur) d'autres conceptions sont choisies à la place.

Industrie :

Les utilisations typiques comprennent l'eau de chauffage / refroidissement, les huiles, les liquides de refroidissement et les produits chimiques légers dans les bâtiments, les installations alimentaires et les usines de transformation.

Échangeurs de chaleur à circuit imprimé (PCHE)

Le plus jeune des trois,Circuit imprimé échangeur de chaleur Ils sont constitués de plaques très minces en inoxydable ou en alliage de nickel, chacune gravée chimiquement avec des micro canaux d'écoulement (comme un motif de PCB) puis liée par diffusion en un seul bloc solide. Il n'y a pas de joints ni de joints à l'intérieur - c'est un monolithique Le cœur des microcanaux. Cette innovation (développée à la fin du XXe siècle) a été portée par des industries nécessitant de la compacité et des conditions extrêmes.

Structure :

Dans un PCHE, les plaques sont gravées pour créer des motifs de microcanaux complexes. Après avoir empilé les plaques gravées, elles sont liées par diffusion à haute température et pression, formant un bloc métallique solide avec des passages microscopiques.

Le résultat est extrêmement compact : testé, les PCHEs sont quatre à six fois plus petits et plus légers que les unités conventionnelles à coque et tube. Les espaces de canal typiques sont de l'ordre de 0,4 - 4 mm.

Performance :

Les PCHEs ont une performance extrême. Ils gèrent des pressions et des températures très élevées - SHPHE note jusqu'à 1 000 bar et 850 - 900 ° C - bien au-delà de ce que les plaques jointes ou soudées peuvent supporter.

L'efficacité du transfert de chaleur est également remarquable (de l'ordre de 98% d'efficacité) car les canaux minuscules et les ondulations forcent une turbulence intense.

Par exemple, les PCHEs sont utilisés dans les centrales au GNL, les réacteurs nucléaires et les systèmes de CO2 supercritiques où les exigences de pression et d'efficacité sont extrêmes.

Maintien :

Étant liés par diffusion, les PCHEs n'ont pas de pièces mobiles, de joints ou de joints à l'intérieur.

Cependant, cela signifie aussi que vous ne pouvez pas ouvrir ou entretenir les internes. Si les canaux fins sont sales, le nettoyage est extrêmement difficile ou impossible ; les PCHEs sont donc limités à des fluides très propres. Les systèmes utilisant des PCHE comprennent des filtres fins ou fonctionnent avec des milieux ultrapurs. L'entretien de routine consiste généralement à inspecter les joints de soudure et à assurer la filtration de l'entrée plutôt que de nettoyer l'échangeur lui-même.

Coût :

Les PCHEs sont l'option la plus coûteuse. Le processus complexe de gravure photochimique et de liaison par diffusion est coûteux, et les matériaux sont généralement tous des alliages inoxydables ou exotiques (pas de pièces en acier au carbone).

Du côté positif, leur compacité peut réduire les coûts dans d'autres domaines : fondations plus petites, supports plus légers et stockage de fluides plus faible (ce qui peut réduire les exigences de soulagement de sécurité). Mais par le prix unitaire seul, les unités de circuits imprimés sont les plus chères à acheter.

Industrie :

Les PCHEs apparaissent là où rien d'autre ne fera. Les premiers adoptants ont été l'énergie nucléaire et l'aérospatiale (échangeurs de chaleur de vaisseaux spatiaux et d'aéronefs), et aujourd 'hui ils sont courants dans le nucléaire, le GNL, le traitement des hydrocarbures et les systèmes d'énergie renouvelable, et en effet ils voient une utilisation croissante dans les projets d'énergie de prochaine génération (par exemple, petits réacteurs modulaires, solaire concentré) où l'efficacité et la taille sont primordiales.

Comment ils comparent

Questions liées

Q : Quelle est la principale différence entre les échangeurs de plaques joints et soudés ?

La clé est le scellant. Les échangeurs à joints ont des joints en caoutchouc remplaçables et un cadre boulonné, de sorte qu 'ils peuvent être démontés pour le nettoyage ou le changement de plaques. Les échangeurs de plaques soudés fusionnent les plaques (pas de joints), ce qui donne une capacité de pression / température plus élevée, mais les rend plus difficiles à entretenir. En bref, les plaques jointes sont plus utilisables ; les plaques soudées gèrent des conditions plus dures.

Q : Pourquoi utiliser un échangeur de chaleur à circuit imprimé au lieu d'une plaque ou d'un boîtier ?

Le PCHS sont choisis pour les exigences extrêmes. Ils regroupent d'énormes zones de transfert de chaleur dans un petit volume et peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 1 000 bar et à des températures de ~ 850 ° C. Si une application est limitée par l'espace et implique des fluides supercritiques (comme le GNL ou le CO2), un PCHE peut atteindre un rendement inatteignable par les unités conventionnelles.

Q : Quel type d'échangeur est le plus efficace ?

Les trois types ont une efficacité thermique élevée. Les PCHEs atteignent souvent l'efficacité nominale la plus élevée (≈ 98% d'efficacité) en raison de leurs microcanaux optimisés.

Q : Comment les besoins de maintenance se comparent-ils ?

Les échangeurs de plaques à joints sont les plus faciles à nettoyer : vous pouvez les démonter et les rincer ou remplacer.

Les échangeurs à circuits imprimés sont essentiellement sans entretien interne (pas de joints ni de joints), mais ils nécessitent des fluides propres pour éviter le blocage et ont généralement besoin de filtres d'entrée.

En résumé, le choix entre ces trois types dépend en fin de compte d'une analyse minutieuse des conditions de fonctionnement spécifiques (température, pression, propriétés des fluides), des exigences de maintenance et du budget global du projet.

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