Relation entre un échangeur de chaleur à plaques spiralées et un système d'énergie thermique
Lors du refroidissement, il est nécessaire non seulement de remplacer l'huile caloporteuse haute température de l'équipement chaud par le fluide frigorigène du réservoir, mais aussi de refroidir cet équipement le plus rapidement possible. Le processus se déroule comme suit : l'huile caloporteuse du réservoir de stockage de fluide frigorigène est filtrée par un filtre en Y. Un cycle de refroidissement forcé en phase liquide est mis en œuvre, depuis la pompe à fluide frigorigène jusqu'au séparateur huile/gaz de l'échangeur de chaleur (bouilloire de lipidation), puis au réservoir de stockage de fluide frigorigène. L'échangeur de chaleur est l'élément clé de ce processus.
Conformément aux exigences du procédé, l'échangeur de chaleur à plaques spiralées présente les avantages suivants : rendement de transfert thermique élevé, grande surface d'échange, faibles contraintes thermiques, contrôle précis de la température de sortie et faibles risques d'encrassement et de colmatage. L'échangeur de chaleur tubulaire, couramment utilisé, présente un faible rendement de transfert thermique, un volume important et des contraintes thermiques significatives. Dans les systèmes de production d'énergie thermique à fluide caloporteur organique, l'enveloppe doit être équipée de joints de dilatation, ce qui augmente la consommation de métal. Comparé aux échangeurs tubulaires, l'échangeur de chaleur à plaques spiralées possède des atouts propres et répond précisément aux exigences des systèmes de production d'énergie thermique à fluide caloporteur organique.
Un échangeur de chaleur à plaques spiralées est fabriqué en laminant deux fines plaques d'acier parallèles sur un banc de formage, créant ainsi deux canaux d'écoulement rectangulaires spiralés parallèles entre les deux plaques. La surface d'échange thermique est constituée par la plaque d'acier mince, et les extrémités intérieures des deux plaques spiralées sont soudées à une cloison centrale qui sépare les canaux d'écoulement. Des embouts recouvrent les canaux de part et d'autre. Des entretoises permettent de maintenir une distance entre les deux plaques spiralées et d'améliorer leur résistance à la pression.
Lors du refroidissement des systèmes thermiques à fluide caloporteur organique, l'écart de température entre les fluides chaud et froid est important, le fluide chaud pouvant atteindre environ 200 °C. Le fluide froid, à savoir l'eau de circulation, est à température ambiante, ce qui engendre des contraintes thermiques significatives dans l'échangeur de chaleur tubulaire. L'échangeur de chaleur à plaques spiralées présente l'avantage de permettre cette dilatation.
Grâce à ses deux longs canaux spiralés, le corps spiralé peut se dilater ou se contracter sous l'effet de la chaleur ou du froid, à l'instar du ressort moteur d'une horloge. Ce corps est entouré d'un fluide chaud d'un côté et d'un fluide froid de l'autre, tandis que son anneau extérieur est en contact avec l'atmosphère. L'écart de température entre les deux parties du corps spiralé étant bien moindre que celui entre le tube et l'enveloppe d'un échangeur de chaleur tubulaire, les contraintes thermiques restent négligeables. Ce dispositif est particulièrement adapté aux systèmes de chauffage par fluide caloporteur organique. Il présente une structure compacte, une grande surface d'échange thermique, une fabrication simple et un faible coût d'investissement. De plus, il est peu sujet à l'encrassement.
Dans un échangeur de chaleur à plaques spiralées, grâce au canal unique d'écoulement du fluide et à son débit admissible plus élevé que dans d'autres types d'échangeurs, les impuretés s'y déposent peu. Si des impuretés se déposent dans une partie du canal, la section transversale de celui-ci diminue, ce qui augmente le débit local et favorise l'élimination des impuretés. Par conséquent, le taux d'encrassement n'est que de 10 % de celui d'un échangeur tubulaire, et le nettoyage est aisé. Ceci est bénéfique au bon fonctionnement du système de chauffage par fluide caloporteur organique et préserve l'efficacité du transfert thermique. De plus, la température de sortie peut être contrôlée avec précision.