Les 9 erreurs les plus courantes lors de l’installation et de la mise en oeuvre d’un échangeur

Quelles sont les 9 erreurs les plus courantes lors de l’installation et de la mise en oeuvre d’un échangeur ?:

Au cours des plus de 40 ans d’histoire de SACOME en tant que référence dans le domaine des échangeurs de chaleur et de l’industrie des processus, notre entreprise a fourni des milliers d’équipements pour de multiples et diverses applications.

Dans cet article, nous avons répertorié les erreurs les plus courantes lors de l’installation et de la mise en oeuvre d’un échangeur de chaleur, erreurs qui peuvent avoir un impact négatif sur les performances de l’équipement, voire dans certains cas entraîner sa rupture ou sa panne.

C’est pourquoi nous recommandons à nos clients de suivre les conseils de notre service technique, ainsi que les recommandations d’installation figurant dans notre manuel d’instructions et d’utilisation.

1. Mauvaise disposition des sens de circulation des fluides dans l’échangeur.

En fonction du sens de circulation du débit du fluide chaud et du fluide froid dans un équipement, il existe 2 façons d’installer un échangeur de chaleur, comme le montre l’image suivante :

Sauf dans certaines applications très spécifiques, un échangeur de chaleur est plus efficace lorsqu’il est installé en contre-courant, car cette disposition permet d’obtenir une plus grande différence logarithmique moyenne de températures (en abrégé, LMTD) entre le fluide chaud et le fluide froid, ce qui se traduit par une meilleure performance thermique et, par conséquent, par une surface d’échange requise moindre. Toutefois, dans certains processus spécifiques, une disposition en équicourant peut être préférable. C’est pourquoi notre service technique vous recommandera la meilleure solution pour votre cas particulier lors de la phase de conception.

Cela dit, lorsque le client procède à l’installation et à la mise en oeuvre de l’équipement, il peut par erreur disposer incorrectement les entrées et les sorties du service, auquel cas l’équipement peut être installé en équicourant au lieu de contre-courant, ce qui, pour les raisons exposées ci-dessus, peut avoir un impact négatif sur les performances de l’échangeur de chaleur.

Pour illustrer cette situation, prenons un exemple. Dans le calcul thermique ci-dessous, nous reproduisons un processus calculé en contre-courant :

Nous allons maintenant simuler le même échangeur avec le même processus, mais cette fois-ci, nous prendrons en compte la disposition en écoulement équivalent:

Comme nous pouvons le constater, l’équipement passe d’une capacité à réaliser parfaitement le processus (puisque l’excès de surface est de 14,92 %) à un excès de surface négatif (-29,33 %), ce qui entraîne un manque de surface d’échange et l’impossibilité d’atteindre les températures souhaitées. Cela s’explique par le fait que la différence logarithmique moyenne des températures (dans les feuilles de calcul, elle apparaît sous la forme EMTD) passe de 26 ºC (à contre-courant) à 16 ºC (à équicourant), ce qui réduit les performances thermiques de l’équipement.
Dans la pratique, pour éviter ce type de problèmes, il suffit de respecter la disposition des entrées et des sorties indiquée sur le plan de fabrication que nous envoyons au client, qui correspond dans la grande majorité des cas à une disposition en contre-courant.

2. Surpressions dues à un circuit d’eau fermé mal conçu.

Il existe différentes raisons pour lesquelles une surpression inhabituelle peut apparaître pendant le fonctionnement d’un échangeur de chaleur tubulaire, comme un coup de bélier ou une surchauffe de l’un des fluides de travail, entre autres. Cette surpression peut entraîner une déformation plastique, une rupture partielle ou totale de la calandre ou des tubes intérieurs, ou encore l’effondrement du soufflet, des effets qui peuvent rendre l’équipement inutilisable.

À cet égard, nous joignons quelques photos typiques d’effondrement d’échangeurs et, en particulier, du joint de dilatation, en raison de surpressions côté calandre :

Dans le cas qui nous occupe, une surpression dans un circuit d’eau chaude mal conçu, il est indispensable d’installer un vase ou réservoir d’expansion dans la boucle fermée d’eau. Ce composant a pour fonction d’absorber l’augmentation de pression du fluide caloporteur (par exemple l’eau ou l’eau glycolée) lorsqu’il se réchauffe. En effet, lorsque la température de ce fluide augmente, son volume a également tendance à augmenter, et si le fluide se trouve dans un volume fermé et qu’aucun composant ne peut absorber cette dilatation, il se produit d’importantes surpressions qui peuvent endommager des éléments tels que le joint de dilatation ou les tubes intérieurs de l’échangeur.

Ci-dessous, nous incluons le schéma type d’une boucle d’eau fermée où, parmi d’autres composants nécessaires, tels que des pompes, des manomètres, des vannes, des drains ou des voyants, nous pouvons voir le vase ou réservoir d’expansion. Il s’agit d’une installation typique dans les processus de récupération de chaleur dans une usine.

3. Blocage des supports.

En fonction de la disposition de l’équipement (installation horizontale, verticale, un ou plusieurs modules en série, etc.), l’échangeur peut être posé ou soutenu sur la fondation d’une manière ou d’une autre. Par exemple, dans le cas d’un module unique disposé horizontalement, celui-ci peut être posé sur 2 berceaux ou pieds de support, comme le montre la figure suivante :

Si les boulons de fixation au sol sont ancrés de manière à empêcher tout mouvement, cela provoquera des contraintes excessives au niveau du joint de dilatation ainsi que des soudures tube-plaque, ce qui pourrait entraîner des fissures au niveau de ces soudures. Compte tenu de cela, si l’échangeur est fixé en 2 points, il convient de laisser l’un d’eux coulissant ou de manière à permettre une dilatation libre.

Dans de nombreux cas, le support ou le châssis fait partie de la livraison. Dans ce cas, nous tenons déjà compte de ce type de détails de construction. Toutefois, si ce n’est pas le cas et que le client décide de le réaliser par d’autres moyens, il est important que l’entreprise chargée de l’installation tienne compte de ce type de détails afin d’éviter des tensions (et d’éventuelles ruptures) sur l’équipement. C’est l’une des recommandations que nous incluons dans notre manuel d’instructions et d’utilisation.

4. Mauvaise conception de la ligne de condensats.

Dans un condenseur ou un échangeur eau/vapeur, si la purge des condensats n’est pas effectuée correctement, le côté boîtier peut commencer à se remplir d’eau, ce qui provoque un choc de la vapeur lorsqu’elle entre en contact avec la couche de liquide et génère des bruits et des vibrations importants. Pour détecter cette anomalie, il suffit de toucher délicatement le haut et le bas du boîtier de l’équipement une fois qu’il fonctionne à la vapeur. Si le haut est chaud et le bas froid, il est possible que le boîtier soit inondé jusqu’au niveau où la température de la surface change. Cette anomalie est l’un des types de coups de bélier qui peuvent se produire dans une ligne de processus.

5. Encrassement excessif ou « fouling ».

Le «fouling» est un phénomène qui diminue le coefficient de transfert thermique, augmente les pertes de charge et peut même activer et accélérer les processus de corrosion. Il existe différents mécanismes d’encrassement : cristallisation (typique dans les eaux très dures et riches en sels tels que le carbonate de calcium, le calcaire), sédimentation (dépôt de sable, d’oxyde ou d’autres solides en suspension), chimique (dans les processus où le produit peut se dégrader sous l’effet de la température), congélation (lorsqu’une partie du produit gèle sous l’effet des températures de processus), biologique (lorsque de l’eau non traitée est traitée, ce qui peut entraîner la prolifération de différents types d’organismes ou de micro-organismes), précipitation de protéines (typique des produits dérivés du lait), entre autres.

Compte tenu de la complexité de ce phénomène, la solution n’est généralement pas simple et implique souvent différents aspects. Afin de minimiser le problème et d’augmenter les temps de production entre les nettoyages, les mesures suivantes peuvent être prises :

• Lors du calcul thermique, il est possible de prendre en compte un excès de surface important ou d’introduire des facteurs d’encrassement, à titre de facteur de sécurité. Cela donnera à l’équipement une marge pour s’encrasser tout en continuant à atteindre les températures requises.
• Faire circuler le fluide le plus « sale » du côté des tubes, qui est plus facile à nettoyer que le côté calandre.
• Concevoir l’équipement de manière à garantir une vitesse de traitement élevée pour le fluide de process, en minimisant l’encrassement.
• Disposer d’une conception de plaque tubulaire bridée afin de pouvoir démonter la réduction ou la tête si nécessaire et accéder au côté tubes.
• Si le fluide encrassé circule du côté calandre, opter pour une conception de faisceau tubulaire démontable.

6. Propriétés du produit différentes de celles envisagées lors de la phase de conception.

Il ne s’agit pas d’un défaut que nous pouvons associer à une installation ou une mise en oeuvre incorrecte, mais plutôt d’une erreur de conception. Cependant, comme elle peut parfois être sous-estimée, nous avons jugé opportun de l’inclure dans cet article.

Pour simuler correctement le calcul thermique d’un échangeur de chaleur, il est indispensable de connaître le plus précisément possible les propriétés thermiques des fluides qui circulent du côté des tubes et du côté de la calandre.

Les principales propriétés thermiques sont la densité, la chaleur spécifique, la conductivité thermique ainsi que la viscosité ou les courbes de viscosité, selon le comportement newtonien ou non newtonien du fluide.

Chez SACOME, nous disposons d’une base de données considérable de plus de 600 fluides. D’autre part, grâce à notre étroite collaboration avec les laboratoires de différentes universités, si le produit à traiter est un produit nouveau sur le marché ou si notre client ne connaît pas les paramètres mentionnés ci-dessus, nous pouvons réaliser des essais de propriétés dans leurs laboratoires. Cela nous fournit une base très solide pour calculer l’équipement le mieux adapté aux besoins du client.

Nous allons maintenant illustrer à l’aide d’un exemple simple l’influence que la variation de certains de ces paramètres peut avoir sur les performances d’un échangeur de chaleur.

Pour un programme de températures aléatoire, voici le calcul thermique d’un équipement pour lequel nous avons supposé que de l’eau circule aussi bien du côté de la calandre que du côté des tubes :

Et voici le calcul pour le même échangeur, mais dans ce cas, le fluide a une viscosité de 5 cP, comparable à celle de certains jus :

Comme on peut le constater, le calcul avec le fluide le plus visqueux donne un excès de surface clairement négatif, et il manquerait une surface d’échange pour réaliser le processus. En revanche, dans le premier cas (produit ayant la viscosité de l’eau), le processus se déroulerait parfaitement. Afin d’éviter ce type de problème, il est important de transmettre à notre service technique toutes les informations disponibles sur les produits à traiter, afin que nos techniciens puissent déterminer les propriétés thermiques adéquates.

Compte tenu de l’importance que peut revêtir cet aspect, nous lui consacrons un article technique afin de l’aborder plus en détail :

https://www.sacome.com/fr/analyse-proprietes-thermiques-fluides/

7. Corrosion due à l’utilisation d’un fluide de nettoyage trop agressif.

L’encrassement ou «fouling» dans un échangeur de chaleur est un phénomène complexe qui peut entraîner différents types de dépôts et d’incrustations, tels que des dépôts d’huile et de graisse, des incrustations de calcaire, différents types de dépôts organiques, des boues ou des oxydes métalliques. En cas de nettoyage chimique (Cleaning-in-Place ou CIP), il est possible d’utiliser des solutions de nettoyage avec différents agents et concentrations, tels que l’acide chlorhydrique (HCl), l’acide phosphorique (H₃PO₄), l’acide nitrique (HNO₃), l’acide citrique (C₆H₈O₇), la soude caustique (NaOH) et différents polyphosphates (tels que NaPO₄ ou Na₃PO₄).

Certains de ces agents sont très agressifs, ce qui, associé aux températures auxquelles ce nettoyage chimique est généralement effectué (normalement entre 60 °C et 80 °C), peut entraîner des problèmes de corrosion (généralisée ou localisée, comme la corrosion par piqûres ou par interstices) sur le matériau de construction de l’échangeur.

Voici quelques recommandations très basiques à prendre en compte lors du nettoyage NEP :

• Consultez une entreprise spécialisée pour connaître les produits de nettoyage et les concentrations à utiliser, ainsi que le protocole de nettoyage, en tenant compte du matériau de construction de l’échangeur, tant au niveau des tubes que des joints.
• Ne faites circuler que des produits de nettoyage et des concentrations conformes aux recommandations de cette entreprise spécialisée. Les produits tels que l’acide chlorhydrique (HCl), l’acide phosphorique, l’acide nitrique, entre autres, peuvent être très agressifs à des températures élevées.
• Une fois le cycle de nettoyage chimique terminé, il est conseillé de procéder à un rinçage complet à l’eau. Dans le cas contraire, la solution peut se décanter et, dans certaines zones de l’équipement, augmenter la concentration de l’élément nettoyant, ce qui augmente le risque de corrosion.

8. Corrosion due à l’utilisation d’une eau de service à forte teneur en chlorures.

Il arrive parfois que le client utilise une eau de service non traitée ou de mauvaise qualité, contenant une grande quantité de ppm de sels et d’ions chlorure, ce qui, associé à des températures de processus élevées, peut entraîner une corrosion localisée si la qualité de l’acier inoxydable utilisé n’est pas adéquate.

Sur l’image, nous pouvons voir le raccordement d’entrée de la calandre d’un équipement avec une eau de service très dure et une forte teneur en ppm de Cl-, ce qui a provoqué un encrassement important et amorcé la corrosion des tubes.

9. Congélation du produit.

Si, lors de l’arrêt du système, les unités ne se vidangent pas complètement et que du fluide reste à l’intérieur, et que la température ambiante descend en dessous de 0 °C, il existe un risque de gel de ce produit stagnant, ce qui peut endommager les tubes des échangeurs. Nous recommandons donc d’installer des vannes de vidange aux points les plus bas de l’installation. L’image montre un équipement endommagé par l’eau qui s’est accumulée à l’intérieur et s’est solidifiée lorsque la température est descendue en dessous de 0 °C.

Une autre solution possible consiste à utiliser des solutions antigel (par exemple du propylène glycol dans une proportion adéquate), dont le point de congélation est inférieur à celui de l’eau.

Pour toutes ces raisons, nous recommandons à nos clients de suivre les recommandations de notre service technique et les procédures décrites dans notre manuel d’instructions et d’utilisation.

Documentation technique sur nos échangeurs de chaleur