Introduction aux échangeurs de chaleur cryogéniques et de chaleur de tubes

Les échangeurs de chaleur à shell et tube sont les chevaux de travail de la gestion thermique dans les industries qui manipulent les fluides cryogéniques.Ces appareils gèrent les différences de température extrêmes nécessaires pour stocker et transférer des liquides comme l'azote liquide (LN2), l'oxygène liquide (LO2) et l'argon liquide (LAr) sans changements de phase indésirables ou incidents de sécurité.La conception de ces appareils exige une compréhension approfondie du comportement cryogénique des fluides, des sciences des matériaux avancées et une ingénierie thermique rigoureuse.

Comprendre les liquides cryogéniques

Les liquides cryogéniques sont des substances qui existent sous forme liquide à des températures inférieures à -150°C (-238°F). Les fluides cryogéniques ont des points d'ébullition très bas, des rapports d'expansion élevés lors de la vaporisation et peuvent causer une fragilisation dans les métaux ductiles dans les conditions ambiantes. Le stockage et le transfert de ces liquides nécessitent un équipement qui minimise l'entrée de chaleur pour empêcher l'ébullition et maintenir l'état liquide. Les échangeurs de chaleur Shell et tube jouent de multiples rôles : ils peuvent réchauffer les liquides cryogéniques pour les utiliser, refroidir les gaz pour les liquéfier ou assurer un contrôle précis de la température pendant le transfert.

Principes de conception de base pour le service cryogénique

La conception d'un échangeur de chaleur pour les liquides cryogéniques nécessite un équilibre entre la performance du transfert de chaleur et l'intégrité et la sécurité de la structure.

Sélection du matériel

Les matériaux utilisés dans les échangeurs de chaleur cryogéniques doivent conserver leur ténacité et leur ductilité aux températures de service. Les aciers inoxydables[, en particulier les nuances 304, 304L, 316 et 316L, sont les choix les plus courants en raison de leur excellente ténacité et résistance à la corrosion à basse température. Les alliages d'aluminium (par exemple 5083, 6061) sont également utilisés pour leur haute conductivité thermique et leur légèreté, mais peuvent nécessiter des procédés spéciaux de soudage. Les aciers au carbone deviennent cassants à des températures cryogéniques et doivent être évités. Copper et ses alliages sont parfois utilisés pour des tubes à basse pression en raison de leur conductivité thermique supérieure, mais leur utilisation est limitée par la résistance et la compatibilité.

Expansion et contraction thermiques

Lorsqu'un échangeur de chaleur cryogénique est refroidi de la température ambiante à la température de fonctionnement, les composants peuvent se contracter jusqu'à 0,3 % de longueur (environ 3 mm par mètre).Cette contraction différentielle entre les tubes et la coque, qui sont souvent faits de différents matériaux ou fonctionnent à différentes températures, induit une contrainte importante. Les ingénieurs doivent en tenir compte en incorporant des joints d'expansion[ dans la coque, en utilisant des soufflets[ sur les raccords de tubes, ou en concevant des feuilles de tubes flottantes qui permettent un mouvement axial libre. Les configurations de tubes en U sont particulièrement adaptées au service cryogénique parce que les tubes peuvent se développer et se contracter sans retenue.

Efficacité du transfert de chaleur

Dans les échangeurs cryogéniques, le coefficient de transfert thermique côté coque est souvent inférieur à celui du côté tube en raison de la faible conductivité thermique des films gazeux qui peuvent se former. Le baffling[ est utilisé pour augmenter la vitesse et la turbulence côté coque. Cependant, une conception prudente est nécessaire parce que l'espacement excessif des déflecteurs peut causer des zones stagnantes, alors que trop de déflecteurs augmentent la chute de pression. ]Les dispositions triangulaires ou triangulaires du tube maximisent le nombre de tubes et la zone de transfert de chaleur, mais peuvent augmenter le risque de salissure.

Caractéristiques de sécurité et confinement de pression

Les échangeurs de chaleur cryogéniques fonctionnent sous des pressions élevées (souvent jusqu'à 30 bars ou plus) en raison de la nécessité d'éviter la vaporisation. La conception doit être conforme aux codes de cuves sous pression (ASME, PED, etc.) et comprendre des soupapes de décompression dimensionnées pour l'exposition au feu et les scénarios de sortie bloquée. Parmi les considérations particulières, on peut citer la possibilité de changement de phase rapide (ébullition explosive) si l'eau ou d'autres liquides à haut point de boom entrent dans l'échangeur, ainsi que la nécessité de des disques de boursouflage[ dans certains services.

Défis communs de conception et solutions d'ingénierie

Même avec des principes solides, la conception pour le service cryogénique présente des obstacles qui nécessitent une ingénierie créative.

Brittleness du matériau et ténacité basse température

Aux températures cryogéniques, les métaux normalement ductiles peuvent subir une transition ductile-à-bride.Cela est particulièrement dangereux dans les composants soumis à des charges cycliques ou à des chocs. La solution consiste à sélectionner des matériaux à basses températures de transition, vérifiées par les essais d'impact Charpy V-notch à la température minimale de service. Les aciers inoxydables austéritiques et les alliages d'aluminium ont des structures cristallines de FCC qui restent ductiles jusqu'à presque zéro absolu. Pour les températures très basses (inférieures à -200°C), Invar® ou d'autres alliages de nickel-fer peuvent être nécessaires.

Accidents thermiques et fatigue

Les cycles de refroidissement/chauffage répétés provoquent des contraintes thermiques cycliques qui peuvent entraîner une fissuration de fatigue.Les plus grandes contraintes se produisent près des joints de la feuille de tube à tube et aux buses de la coque. Les solutions[ comprennent l'utilisation d'éléments flexibles[, tels que les soufflets dans la coque, la conception avec des absorbeurs d'expansion et la limitation de la vitesse de changement de température.Les opérateurs doivent suivre des procédures de refroidissement définies qui ne dépassent jamais 50 à 100 °C par heure selon l'épaisseur du composant.

Réduire au minimum les fuites de chaleur

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Prévenir le changement de phase non souhaité

Dans le cas d'un stockage et d'un transfert cryogéniques, l'objectif est souvent de maintenir le liquide comme liquide saturé ou refroidi sous-refroidi et d'éviter les clignotements pour la vapeur. Les échangeurs de chaleur doivent fournir une température de sous-refroidissement ou de contrôle précis. La solution est de concevoir une température d'approche minimale[ (généralement de 3 à 10 °C) et de s'assurer que la température de sortie du froid reste en sécurité sous la température de saturation à la pression de fonctionnement. Les facteurs d'émanation[ sont généralement faibles en service cryogénique propre, de sorte qu'une résistance de salissure de conception de 0,00005 à 0,0001 m2K/W est typique. L'échangeur doit être dimensionné pour une pression thermique qui comprend une marge de sécurité de 10 à 15 %.

Considérations de conception avancées pour améliorer le rendement

Au-delà des bases, plusieurs aspects techniques avancés peuvent optimiser les échangeurs de coques et de tubes pour le travail cryogénique.

Conception de la disposition et de la baffle

Pour les applications à faible pression, une disposition carré (90°) permet un nettoyage mécanique, mais est moins compact. Les types de chicanes[ comprennent les chicanes segmentaires (simples, doubles, triples segmentales) et les chicanes à disque et à noix. Les chicanes segmentaires doubles[ réduisent la chute de pression et réduisent les vibrations induites par le flux, ce qui est critique aux températures cryogéniques où les métaux peuvent être moins amortis. La coupure de chicanes devrait être d'environ 25% du diamètre de la coque pour équilibrer le transfert de chaleur et la chute de pression. Pour le service cryogénique, ] les vitesses de la vapeur sont réduites à des températures cryogéniques où les métaux peuvent être moins amortis.

Systèmes d'isolation et vestes sous vide

Pour une performance optimale, l'échangeur de chaleur plus les tuyaux associés peuvent être placés à l'intérieur d'une veste vide qui est évacuée à moins de 1×10−4 mbar. Cela élimine la convection et réduit la conduction et le rayonnement. La veste elle-même peut être faite d'acier au carbone pour sa résistance, mais doit être séparée de l'échangeur par des standoffs pour éviter la condensation. À l'intérieur, l'isolation multicouches (MLI) composée de 30–60 couches d'espacements nets en polyester et en polyester à double aluminium peut atteindre des conductivités thermiques efficaces aussi bas que 0,1 mW/mK. Si le revêtement sous vide n'est pas possible, l'isolation par voie de vide[ avec une purge d'azote pour exclure l'humidité est fréquente.

Stabilité du débit et considérations en deux phases

Pour éviter les vibrations induites par le flux dans le flux de tube, il est essentiel d'assurer un débit stable afin d'éviter les maldistributions et les oscillations thermiques. ]Les solutions comprennent l'utilisation de plaques d'orifice aux tubes d'entrée pour augmenter la chute de pression et stabiliser le débit, ou la conception pour l'orientation verticale[ où la gravité aide à séparer le liquide et la vapeur. Pour les condensateurs, l'écoulement vers le bas de vapeur avec un faisceau inondé est typique. L'entraînement de gouttelettes liquides[ peut être minimisé en incorporant un séparateur liquide-vapeur à la sortie.

Meilleures pratiques d'exploitation et d'entretien

Même la meilleure conception d'échangeur de chaleur nécessite un bon fonctionnement et un entretien pour atteindre une longue durée de vie. Les pratiques suivantes sont essentielles pour les échangeurs de coques cryogéniques et de tubes.

  • Rafraîchissement contrôlé:[ Suivez toujours une procédure de refroidissement prescrite. Introduire progressivement du liquide froid à une vitesse qui maintient la tension thermique en dessous des limites (habituellement 0,01% par minute).
  • Assèchement et contrôle de l'humidité :[ Avant le refroidissement, purger le système avec de l'azote sec ou de l'hélium pour éliminer l'humidité et l'air. L'humidité gèle à des températures cryogéniques et peut bloquer les tubes ou endommager les joints.
  • Inspection régulière: Inspecter les dispositifs de décompression chaque année. Effectuer des essais hydrostatiques ou pneumatiques par code à intervalles d'entretien. Vérifier les soufflets et les joints d'expansion pour les fissures de fatigue.
  • Intégrité du vide:[ Pour les échangeurs à camisole, surveiller le niveau de vide en continu. Une augmentation de la pression indique une fuite ou un dégagement de gaz.
  • Détection de fuite:[ Utiliser des tests de fuite d'hélium pour les joints de vide et de pression. Les tests de savon et d'eau sont inefficaces à basse température.
  • Enregistrement:[ Documenter toutes les données de température, de pression et de vibration. Suivre les cycles de refroidissement/chauffage pour estimer la durée de vie de la fatigue.
  • Pièces de rechange :[ Gardez les faisceaux de tubes de rechange et les joints critiques à la main.

En mettant en œuvre ces meilleures pratiques, les opérateurs peuvent considérablement prolonger la durée de vie des échangeurs de chaleur cryogéniques et minimiser les temps d'arrêt imprévus.

Conclusion

La conception d'échangeurs de chaleur pour liquides cryogéniques est une discipline complexe mais bien comprise. En choisissant des matériaux avec une résistance à basse température adéquate, en tenant compte de l'expansion thermique, en optimisant les surfaces de transfert de chaleur et en intégrant des caractéristiques de sécurité robustes, les ingénieurs peuvent créer des échangeurs qui fonctionnent de façon fiable depuis des décennies. L'ajout de techniques avancées comme l'isolation sous vide, la stabilisation en deux phases du débit et la conception mécanique soigneuse améliore encore l'efficacité et la sécurité.

Pour plus de détails, consulter ASME BPVC Section VIII Division 1, la ]]]][FLT:][FLT:][F][