Condenseurs compacts pour un fournisseur d’additifs
Pour une nouvelle usine de production d’un fournisseur d’additifs, une question pratique se posait : comment condenser les vapeurs de solvants de manière fiable, alors que l’espace disponible est limité ?
Recherche d’une solution compacte
On a demandé à Kapp de participer à la réflexion sur la conception des condenseurs. En ce qui concerne la conception thermique, la solution devait bien entendu répondre aux exigences du procédé., la solution devait bien sûr répondre aux exigences du procédé. Parallèlement, l’espace disponible au-dessus des cuves, où les échangeurs devaient être physiquement installés, était limité.
Les premiers calculs ont rapidement mis en évidence l’ampleur du défi. D’un point de vue thermique, un échangeur de chaleur tubulaire d’environ trois mètres de long aurait permis de répondre aux exigences du procédé. Cependant, ses dimensions l’auraient rendu trop encombrant pour une installation au-dessus des cuves. Il fallait donc trouver une solution permettant d’assurer le même transfert de chaleur, tout en réduisant considérablement l’encombrement.
De la vapeur au condensat
Les condenseurs sont utilisés dans un procédé de production au cours duquel le remplissage des cuves entraîne le dégagement d’azote, de vapeurs de solvants et d’autres COV (composés organiques volatils). Ces vapeurs sont évacuées avec le gaz présent dans les cuves. L’objectif est de condenser et de récupérer un maximum de COV avant que les gaz résiduels ne soient rejetés dans l’atmosphère.
C’est précisément là qu’interviennent les condenseurs. En refroidissant le flux gazeux, ils permettent de condenser les vapeurs de solvants et de les récupérer sous forme liquide, réduisant ainsi la quantité de COV rejetée dans l’atmosphère. Le condenseur constitue donc un élément essentiel du système de maîtrise des émissions.
Pour cette application, le choix s’est porté sur un échangeur de chaleur à tubes et calandre. L’un de ses principaux avantages est qu’il favorise le contact entre les vapeurs et le condensat à l’intérieur des tubes. Les vapeurs circulent vers le haut, tandis que le condensat formé s’écoule vers le bas, à contre-courant du flux gazeux. On obtient ainsi un effet de reflux : le condensat descendant entre en contact avec les vapeurs montantes, ce qui favorise davantage la condensation.
Le défi était donc double : condenser efficacement les COV tout en assurant un transfert thermique suffisant dans l’espace restreint disponible au-dessus des cuves. Pour y parvenir, il fallait trouver un moyen d’intensifier les échanges thermiques sans augmenter les dimensions de l’échangeur.
Les turbulateurs, la clé d’une conception plus compacte
Kapp a étudié différentes solutions permettant d’augmenter le transfert thermique sans simplement accroître la surface d’échange. La solution retenue est un échangeur de chaleur tubulaire HRS équipé de turbulateurs Calgavin en treillis métallique, placés à l’intérieur des tubes. Dans cette application, ces turbulateurs remplissent deux fonctions essentielles.
1. Favoriser le contact et la coalescence des gouttelettes
Le treillis métallique multiplie les points de contact pour les fines gouttelettes présentes dans le flux gazeux. Il favorise ainsi leur rencontre et leur coalescence en gouttelettes de plus grande taille, qui peuvent ensuite s’écouler plus facilement sous forme de condensat. Sans agir comme un véritable démisteur, les turbulateurs contribuent néanmoins à favoriser la coalescence du condensat à l’intérieur des tubes.
2. Augmenter la turbulence pour améliorer le transfert thermique
La deuxième fonction des turbulateurs est d’augmenter la turbulence du flux. Les mouvements et les tourbillons ainsi générés perturbent en permanence la couche limite thermique qui se forme le long de la paroi des tubes. Le contact avec la paroi est ainsi amélioré, ce qui intensifie considérablement le transfert thermique. C’est précisément ce gain de performance qui a permis de réduire fortement la longueur de l’échangeur, tout en conservant la capacité thermique requise.
De trois mètres à seulement 70 centimètres
Grâce à l’optimisation de la configuration des tubes et à l’utilisation de turbulateurs en treillis métallique, il a été possible de réduire considérablement les dimensions de l’échangeur. Alors que la conception initiale nécessitait des tubes d’environ trois mètres de long, l’échangeur finalement réalisé ne mesure que 70 centimètres.
Cette conception compacte permet néanmoins d’assurer le transfert thermique nécessaire pour condenser les COV présents dans le flux gazeux, tout en respectant la hauteur limitée disponible au-dessus des cuves. Les condenseurs peuvent ainsi remplir pleinement leur rôle dans la maîtrise des émissions, sans occuper un espace excessif dans la nouvelle unité de production.
Une ingénierie intelligente au service de la compacité
Cette étude de cas montre qu’une conception plus compacte ne se traduit pas nécessairement par une perte de performance thermique. La solution consiste parfois à exploiter plus efficacement la surface d’échange disponible.
En agissant de manière ciblée sur l’écoulement et la condensation à l’intérieur des tubes grâce aux turbulateurs en treillis métallique, Kapp a pu atteindre les performances requises avec un échangeur nettement plus compact. Au final, les échangeurs sont environ trois fois plus légers que la conception initiale. Ils sont donc non seulement plus faciles à manipuler, à transporter et à installer, mais nécessitent également moins de métal pour assurer la même fonction.
Un bel exemple de la manière dont une ingénierie intelligente permet de concilier performance thermique, compacité et efficacité des matériaux.