Depuis plusieurs années, une nouvelle génération d’échangeurs thermiques s’est développée, grâce à leur aptitude à résoudre des problèmes thermiques difficiles, à s’adapter aux modifications de programme thermique, et à résister à la corrosion tout en ne demandant qu’une maintenance minimale (en particulier due à leur grande résistance à l’encrassement) et en améliorant le bilan investissement-exploitation de leurs prédécesseurs.
Il s’agit des échangeurs thermiques compacts, dont le plus important est l’échangeur à plaques que nous présentons dans cet article.
Nous examinerons tout d’abord sur le plan théorique les raisons pour lesquelles ces appareils se révèlent plus efficaces que les échangeurs classiques, puis leur technologie et leurs principales applications, plus spécialement dans le domaine de la géothermie.
LA THÉORIE DES ÉCHANGEURS THERMIQUES
Relations fondamentales des échanges thermiques : bilan thermique
Dans un système sans changement de phase, la quantité de chaleur transmise est donnée par :
Ø = m₁ Cp₁ (te₁ – ts₁) = m₂ Cp₂ (ts₂ – te₂) (1) m₁ Cp₁ | te₁ ➔ ts₁ m₂ Cp₂ | te₂ ➔ ts₂
où :
Ø = quantité de chaleur transmise (W ou kcal)
m₁ = débit du fluide 1 (kg/s ou m³/h)
m₂ = débit du fluide 2 (kg/s ou m³/h)
Cp₁ = chaleur spécifique du fluide 1 (J/kg °C)
Cp₂ = chaleur spécifique du fluide 2 (J/kg °C)
te₁ = température d’entrée dans l’échangeur du fluide 1 (°C)
te₂ = température d’entrée dans l’échangeur du fluide 2 (°C)
ts₁ = température de sortie de l’échangeur du fluide 1 (°C)
ts₂ = température de sortie de l’échangeur du fluide 2 (°C)
Ce flux peut aussi s’exprimer par l’expression :
Ø = K · A · Δtm (2)
où :
K = coefficient global d’échange propre à l’échangeur (W/m² °C ou kcal/m² °C)
A = surface d’échange (m²)
Δtm = moyenne logarithmique de température
Δtm = (ts – te) / ln(ts / te)
La surface (donc le coût de l’appareil) est donnée par la relation :
A = Ø / (K · Δtm)
Celle-ci se décompose en deux facteurs :
1) 1 / K, qui caractérise les paramètres physiques et hydrauliques de l’appareil.
2) Ø / Δtm, qui caractérise les paramètres thermiques du programme à réaliser.
Paramètres techniques et hydrauliques
Le coefficient d’échange est donné par la formule :
1 / K = 1 / α₁ + 1 / α₂ + δ / λ (3)
où α₁ et α₂ sont les coefficients de convection des fluides 1 et 2,
δ = épaisseur de la surface d’échange,
λ = conductibilité du métal constituant la surface d’échange.
Nous voyons donc que, pour un programme thermique donné (puissance, température, perte de charge), la surface sera d’autant plus petite que le coefficient sera plus grand.
Les constructeurs affinent la technologie de la surface d’échange pour augmenter le coefficient, en diminuant les épaisseurs de métal jusqu’au minimum compatible avec les pressions de service, et en étudiant les empreintes, les emboutis des plaques, les sections de passage. Tous ces facteurs augmentent les coefficients de convection.
Les coefficients d’échange des échangeurs à plaques atteignent ainsi 5 000 kcal/h m² °C (par comparaison, ceux des échangeurs tubulaires sont cinq fois plus faibles).
Paramètres thermiques
Le facteur Ø/Δtm peut s’écrire :
M₁ C₁ (te₁ − ts₁)
—————————— = ——————————
Δtm Δtm
M₂ C₂ (ts₂ − te₂)
Les rapports
te₁ − ts₁ ts₂ − te₂ ——————— et ——————— tm tm
sont appelés nombre d’unités de transfert (N.U.T.) du fluide 1 (Θ₁) et du fluide 2 (Θ₂) ainsi :
M₁ C₁ Θ₁ M₂ C₂ Θ₂
A = ——————————— = ———————————
K K
Plus le nombre d’unités de transfert sera élevé, plus le programme thermique sera difficile à réaliser et plus la surface d’échange sera élevée. C’est le nombre d’unités de transfert qui caractérise le programme thermique.
À titre de comparaison, les échangeurs tubulaires ne dépasseront pas l’unité.
M₁ C₁ Θ₁
K = —————————
M₂ C₂
TECHNOLOGIE DE L'ÉCHANGEUR À PLAQUES
Construction
Un échangeur à plaques se compose d’un ensemble de plaques métalliques embouties au travers desquelles s’effectue le transfert de chaleur entre deux médias (figure 1). Un joint par plaque assure l’étanchéité de l’échangeur ainsi que la répartition, sans mélange des fluides, alternativement dans les canaux formés par deux plaques adjacentes (figure 2). L'ensemble des plaques, positionné dans un bâti comprenant une partie fixe et un plateau de serrage mobile, est comprimé au moyen de tirants latéraux. Les plaques et le plateau de serrage sont suspendus à la barre de supportage supérieure et sont maintenus par la barre de guidage inférieure, barres supportées par le pied arrière. Les raccordements aux circuits de fluides sont, selon le transfert thermique à effectuer, situés soit sur le plateau fixe soit sur le plateau mobile de serrage.
Plaques
C'est la partie essentielle de l'appareil. Elles sont embouties de façon à respecter les contraintes ci-après :
- - l'empreinte doit favoriser au maximum la turbulence du fluide (valeur importante du nombre de Reynolds) ;
- - l'écartement des canaux doit pouvoir être adapté aux fluides : plus celui-ci sera faible, meilleur sera l’échange (nombre de Nusselt élevé) ;
- - l'épaisseur du métal doit être la plus faible possible, en restant compatible avec la tenue à la pression exercée par les fluides (e faible).
De ces trois caractéristiques découle un coefficient d’échange K le plus grand possible.
Matériaux
Des plaques de tous types se fabriquent en acier inoxydable AISI 316. Suivant le champ d’application, on utilise souvent d’autres matériaux tels que : l’acier inoxydable AISI 304, le titane, le titane-palladium, l’incoloy 825 ou l’hastelloy C-276.
Cependant, il est à noter que tout matériau disponible sur le marché en format compatible et emboutissable peut être utilisé.
Les joints qui assurent l’étanchéité peuvent être choisis dans les matériaux suivants : caoutchouc nitrile, caoutchouc butyl (vulcanisé), EPDM, hypalon, viton ou fibres d’amiante comprimées (pour quelques modèles seulement).
La conception très étudiée des joints d’étanchéité des échangeurs à plaques assure une étanchéité de l'appareil aussi bien vers l’atmosphère qu’entre les deux fluides traversant l’échangeur (photo ci-dessous).
La surface du transfert maximum possible pour un échangeur à plaques est de 1 200 m².
La dimension maximale des tubulures d’alimentation permet un débit de 2 500 m³/h. Les échangeurs à plaques sont conçus pour des pressions de calcul comprises entre 0,6 MPa (6 bars) et 3,3 MPa (33 bars).
Dans le cas de joints élastomères, la température maximale de service recommandée est de 130 °C, mais celle-ci peut être sensiblement augmentée avec certains types d’échangeurs et de joints : par exemple, l'emploi de joints en fibre d’amiante comprimée (type Klingérite ou équivalent) permet des utilisations jusqu’à 250 °C. Les températures minimales de service sont de –25 °C pour les joints élastomères et de –40 °C pour les joints Klingérite.
Faible encombrement
Les échangeurs à plaques présentent un très faible encombrement : ainsi, un échangeur de taille moyenne possédant une surface d’échange de 200 m² n’occupe que 3 m de longueur, 2 m de hauteur et 1,5 m de largeur, ce qui inclut l’espace nécessaire pour les interventions sur l’appareil (ouverture, etc.) ; à titre de comparaison, un échangeur tubulaire réalisant le même transfert couvrirait une surface d’environ 600 m² (faisceau de tubes de 5 m de longueur et de 1,80 m de diamètre) et requerrait, outre un espace plus important que l’échangeur à plaques (figure 3), un espace supplémentaire pour sortir le faisceau de tubes de la calandre.
Faible volume de rétention
Un échangeur à plaques de 200 m² contient environ 0,4 m³ de chaque fluide ; un échangeur tubulaire réalisant le même transfert thermique en contiendrait environ 3,5 m³ dans le faisceau de tubes et 4,5 m³ dans la calandre. Ce faible volume confère à l’échangeur à plaques un temps de réponse très court au changement des conditions de fonctionnement.
Poids
Un échangeur à plaques de 200 m² pèse environ 4 000 kg pour une pression de calcul de 2,5 MPa (correspondant à la construction la plus robuste). Plein d'eau il pèsera 4 800 kg, alors qu’un échangeur tubulaire de 600 m², d'un poids d’environ 6 000 kg, atteindra en charge 11 000 kg. Le poids beaucoup plus faible de l'échangeur à plaques permet notamment de réduire considérablement l’importance des fondations.
Récupération de chaleur importante
Grâce à ses caractéristiques : coefficient d’échange thermique élevé, fonctionnement à contre-courant parfait, etc., l'échangeur à plaques permet des approches de température très serrées entre les deux fluides.
Flexibilité
Un des avantages les plus marquants de l’échangeur à plaques est sa possibilité d’adaptation à différents
problèmes par addition ou soustraction de plaques (figure 3) et cet aspect est particulièrement intéressant dans le cas d’extension d’une unité de production.
Valeur élevée du coefficient de transfert thermique
L’échangeur à plaques est plus particulièrement adapté aux échanges de chaleur entre liquides. À titre indicatif, le coefficient de transfert thermique d’un échangeur de chaleur eau/eau est de l’ordre de 4 200 W/m² °C avec une perte de charge de 100 kPa (en tenant compte d'un surdimensionnement pour encrassement de 20 %).
Encrassement
C'est le fait d'un dépôt plus ou moins épais s’étalant sur une grande partie de la surface d’échange. Sa nature physique et chimique réduit le transfert thermique. Reprenons la relation (3) :
1/K = 1/k + 1/α + Rf + Rc
Celle-ci devient :
1/K = 1/α₁ + 1/α₂ + Rf + Rc
On a vu que l’encrassement est caractérisé par le dépôt d'une couche d'un élément étranger. Celle-ci peut être d'origine :
- chimique (tartre-précipitation) ;
- physique (boue-particules) ;
- biologique (algues-coquillages).
Le transfert thermique à travers cette couche peut être assimilé à un échange par conduction :
RFf = δf/λf RFc = δc/λc
δf et δc étant les épaisseurs des couches encrassantes, et λf et λc les conductibilités thermiques des couches encrassantes.
(T_i – T_f)/T_c
Les résistances RFf et RFc seront donc d’autant plus importantes que l'épaisseur des couches le sera (δc et δf) et que leur conductibilité thermique sera faible (λf et λc). L'augmentation des épaisseurs δc et δf dans le temps entraîne une diminution du diamètre hydraulique, et par conséquent il apparaît une augmentation des pertes de charge. Il faut donc par tous les moyens empêcher la couche encrassante de se former, surtout en cas de dépôt peu conducteur (par exemple le tartre). L’évolution de l’épaisseur de la couche peut être suivie par la mesure des pertes de charge, permettant ainsi l’exploitation de l’appareil.
Ce type d’encrassement est à différencier d’un autre phénomène, le « colmatage », qui consiste en l’accumulation dans les orifices d’entrée de corps étrangers de dimensions importantes. Ceux-ci obstruent un ou plusieurs canaux et modifient ainsi la répartition du fluide dans l’appareil tout en accroissant la perte de charge.
Lutte contre l’encrassement
Cette lutte revêt divers aspects suivant la nature de celui-ci. On distingue ainsi :
La lutte contre le colmatage
Il faut considérer :
- les filtres plus ou moins sophistiqués (simple crépine, ou filtre autonettoyant, tamis à brosse, etc.) placés le plus près possible de l'appareil (figure 4) ;
- inversion momentanée du sens de circulation du fluide.
La lutte contre le dépôt encrassant sur la surface d'échange
On pratique le nettoyage en place (NEP) ; il est efficace pour un encrassement chimique et sédimentaire. On emploie un ensemble de réservoirs, pompes et tuyauteries qui peut être directement connecté sur les tubulures d’entrée de l’appareil (figure 5). Le réservoir est équipé d'une résistance chauffante pouvant élever la température des solutions circulant à l'intérieur. Pendant que l’échangeur est isolé du circuit principal, l'appareil NEP y fait circuler pendant trois heures une solution eau-agent nettoyant, dont la nature et la température sont adaptées au type d’encrassement ; après vidange, les appareils sont reconnectés au circuit principal.
Un exemple de nettoyage par le procédé NEP est donné au site de Tricastin où il nettoie à tour de rôle les 16 appareils du site, après que les essais aient été effectués pour mettre au point l'agent nettoyant, la température et le temps de fonctionnement.
La chloration
Les micro-organismes peuvent s’accrocher et croître sur la surface d’échange ainsi que dans les tubulures. Ce phénomène dépend de plusieurs facteurs : la position du site (eaux de mer propre, de rivière, d’estuaire, portuaire), la température, la saison...
Le système de chloration consiste à importer une solution d’hypochlorite de sodium (figure 6). Cette opération peut être programmée automatiquement, le dosage et l'intervalle de temps entre injections étant déterminés pour chaque site (en moyenne, toutes les 6 heures pendant 30 mn les mois d’été).
Le nettoyage manuel
Dans tous les cas, le nettoyage manuel est toujours possible.
L’avantage des échangeurs à plaques est de permettre, après démontage des tirants, l’accès à l’intérieur des canaux. En présence de boues, un simple jet d'eau suffit avec parfois un brossage complémentaire. En cas de dépôt persistant, chaque plaque peut être frottée et brossée dans une solution chimique appropriée.
Les principales applications
Les principales applications trouvent principalement leur utilisation soit dans le domaine agro-alimentaire (pasteurisation du lait, process, réchauffage des huiles), soit dans l'industrie :
- — réfrigération centralisée de grosses unités (laminoir, cokerie, etc.) ;
- — industrie pétrolière (réfrigération ou réchauffage du brut) ;
- — réfrigération ou réchauffage de fluides divers intervenant dans certains process (acide sulfurique, méthyl-propylène) ;
- — industrie mécanique (automobile : réfrigération de bain de peinture, phosphatation) ;
- — réfrigération de canons à électrons ;
- — climatisation ‑ chauffage ;
soit dans le domaine de la géothermie.
LA GÉOTHERMIE
Les récents chocs pétroliers ont fait prendre conscience de la pénurie d’énergie qui pourrait exister dans quelques années. Dans le recensement national des sources d’énergie, la part de la géothermie n’est pas négligeable, surtout dans le cas de la basse énergie ; les nappes d’eau chaude (environ 80 °C) du sous-sol
de la région parisienne et du bassin aquitain sont en effet bien adaptées au chauffage de logements et des serres agricoles.
Principe d’une installation de chauffage par géothermie
Généralement une installation géothermique comprend, comme on le sait (figure 7) :
— les forages qui se font par doublet avec un puits de production et un puits de réinjection,
— la centrale où sont installés l’échangeur à plaques, les pompes de réinjection et tous les systèmes nécessaires à la conduite de l’installation,
— le réseau qui distribue l'eau chaude aux divers utilisateurs.
L'eau géothermale est captée par le puits d’exhaure à une température voisine de 80 °C. Elle passe dans l'échangeur à plaques, puis retourne dans la nappe aquifère par le puits de réinjection. L’eau du réseau de chauffage arrive dans l’échangeur aux alentours de 40 °C, est réchauffée par l'eau géothermale jusqu’à 75 °C environ, puis est redistribuée par le réseau.
L'eau géothermale est en général, surtout dans la région parisienne, chargée en sel ; elle est donc corrosive vis-à-vis des matériaux courants comme l’acier ordinaire ou l’acier inoxydable. Il est donc impossible de l'injecter directement dans les réseaux de surface et il est nécessaire de séparer les deux circuits de façon à installer un échangeur dont la surface d’échange ne soit pas attaquée par l’eau géothermale.
D’autre part, la température de la source chaude est basse (80 °C dans les cas les plus favorables — 70 °C en moyenne). Il faut donc récupérer le plus possible ce niveau de température sur le circuit réseau (écart de température de 2 °C en général).
Enfin, pour utiliser au maximum l’énergie disponible, les installations de surface ont été conçues de manière à comporter des retours à la température la plus basse possible (40 °C en moyenne). On est donc conduit à adopter le programme thermique suivant :
| Éléments | | Circuit primaire | | Circuit secondaire |
|---|---|---|
| Fluide ........ eau géothermale | | eau géothermale | |
| Débit (m³/h) .. 100 environ | | 100 environ | |
| Temp. entrée .. 80 °C | | 40 °C | |
| Temp. sortie .. 42 °C | | 78 °C |
L’écart moyen logarithmique de température est de 2 °C.
NUT = (80 − 42) / 2 = (78 − 49) / 2 = 18
Pour comparer, prenons un coefficient d’échange moyen de 5 000 kcal m² h/°C pour un échangeur à plaques, et de 1 000 kcal m² h/°C pour un échangeur tubulaire.
∅ = Ks Δtm → S = ∅ / K Δtm
L’échangeur à plaques présentera au minimum cinq fois moins de surface que l’échangeur tubulaire. L'échangeur à plaques s’impose donc : c’est le seul compatible avec la spécificité d'un doublet géothermique.
Dans la région parisienne, les plaques sont en titane pur, seul matériau résistant à l'eau corrosive ; leur épaisseur varie de 0,5 à 0,8 mm selon les conditions de pression.
Les surfaces installées varient selon chaque installation. Dans le cas le plus contraignant, elles peuvent être supérieures à 1 000 m². Dans la région aquitaine, où l'eau géothermale n'est pas agressive, les plaques sont en acier inoxydable de qualité courante.
Autres utilisations de l’échangeur à plaques : sur le réseau de distribution, les échangeurs à plaques sont installés pour deux utilisations principales : chauffage par radiateurs ou planchers chauffants, et eau chaude sanitaire instantanée.
Lorsque le niveau de température est insuffisant, le recours à des pompes à chaleur est envisagé pour élever le niveau de température, mais l’interface entre l’installation du sous-sol et l’installation de surface reste l’échangeur à plaques.
Quelques réalisations
Opération de Creil. Cette installation a été réalisée en 1975-1976 pour le compte de l’O.P.I.H.L.M. Elle doit alimenter au stade final 4 000 logements :
— 2 000 logements anciens chauffés par dalles au sol,
— 2 000 logements en cours de construction chauffés par radiateurs avec fourniture d’eau chaude sanitaire centralisée.
Le réservoir est exploité par deux doublets (deux puits de production, deux puits de réinjection) :
— profondeur totale de chaque forage : 1 650 m ;
— température en tête de puits : 57 °C (59 °C dans le réservoir) ;
— débit géothermal actuellement utilisé en régime d’hiver : 220 m³/h (débit maximal possible : 300 m³/h).
L'adjonction de pompes à chaleur entre les retours « dalles pleines » et radiateurs permet un meilleur épuisement des calories géothermiques (température de réinjection moyenne : 25 °C environ).
La fourniture des calories est assurée toute l'année :
1) pour la fourniture d’eau chaude sanitaire, par la géothermie ;
[Schéma : CREIL – Flux géotherme, évaporateurs]2) pour le chauffage :
- pour des températures extérieures supérieures à 11 °C, par la géothermie ;
- pour des températures extérieures comprises entre 8 et 11 °C, par la géothermie et des pompes à chaleur ;
- pour des températures extérieures inférieures à 8 °C, par la géothermie, des pompes à chaleur et un appoint par chaudières traditionnelles.
Les économies en énergie primaire prévues annuellement grâce à la géothermie sont de l’ordre de 4 000 à 4 500 TEP.
Citons parmi les autres réalisations importantes :
- la plus ancienne : Melun l’Almont (1972), chauffage de 3 000 équivalent-logements ;
- la plus importante : Meaux (1981-1982), chauffage de 15 000 équivalent-logements ;
- Clichy-sous-Bois : 3 400 équivalent-logements ;
- Paris (Porte de Saint-Cloud) : 7 500 équivalent-logements.
CONCLUSION
Dans certains cas, ils permettent à des projets qui, avec les échangeurs classiques, auraient demandé des investissements trop importants et des réalisations techniques très lourdes de voir le jour : c’est le cas particulier de la géothermie où l’échangeur à plaques constitue l’interface entre les ressources du sous-sol et la distribution de la chaleur en surface.
Incidence des mines d’uranium sur la qualité des eaux exploitables pour l’alimentation humaine.Intérêt des stations de potabilisation : l’exemple du Limousin
Franck CLANET – Simone DUCOS-FONFRÈDE – Gérard BOUSQUET
Laboratoire de chimie minérale et d’hydrobiologieFaculté de Pharmacie de Tours.
L’exploitation des mines d’uranium et le traitement des minerais uranifères posent fatalement de graves problèmes à long terme quand on constate d’une part, le volume important des résidus qu’ils entraînent (conséquence des faibles teneurs en uranium de ces minerais), et d’autre part, que ces résidus contiennent des radio-isotopes naturels.
Ces nucléides normalement rencontrés plus ou moins dispersés dans la nature, contribuent pour une très large part au rayonnement nucléaire naturel, d’ailleurs plus intense dans les régions où se trouvent des gisements de roches uranifères.
L’exploitation des mines d’uranium va, bien sûr, redistribuer ce que la nature avait réparti, en ramenant en surface ce qui était enfoui et en provoquant, lors du traitement des minerais, des accumulations de sous-produits radio-actifs (figure 1), constitués essentiellement par le radium et ses produits de filiation (radon), et de sous-produits stables (fer, manganèse, sélénium, baryum, fluorures, sulfates...) (1)(2).
Il ne faut pas oublier aussi les énormes quantités d’eau mises en jeu dans l’exploitation de ces mines et dans les usines de traitement du minerai, eau qui, en s’écoulant, va avoir pour effet une dispersion des sous-produits dissous. Parmi ces sous-produits, il ne faut pas omettre le radon qui est un gaz, donc par sa nature même mobile, diffusant dans l’atmosphère sa radioactivité propre et celle de ses descendants dont le plus
