Comprendre et prévenir l'encrassement des échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur, même les mieux conçus, sont susceptibles de s'encrasser lorsqu'ils sont utilisés dans des conditions particulièrement difficiles ou lorsqu'ils traitent des produits exigeants tels que les boues d'épuration ou d'eaux usées. Comprendre les différents types d'encrassement et leurs origines permet aux utilisateurs de sélectionner le meilleur type d'échangeur de chaleur pour leur application spécifique et de le faire fonctionner dans des conditions optimales.


L'impact de l'encrassement dans les échangeurs de chaleur est reconnu dès les années 1910, lorsque sont menées les premières recherches sur le sujet. Depuis lors, de nombreux progrès ont eu lieu, allant des solutions brevetées à la mise en place de bonnes pratiques comme le contrôle des débits et des températures. Un échangeur de chaleur bien conçu prendra en compte le "facteur d'encrassement" standard pour le produit qu'il doit traiter au stade de la spécification, garantissant un échange de chaleur suffisant lorsque des niveaux d'encrassement normaux sont constatés en fonctionnement.

Qu'est-ce que l'encrassement ?

Dans le cas des échangeurs de chaleur, on entend généralement par encrassement le dépôt et l'accumulation de matières indésirables, telles que le tartre, les solides en suspension, les sels non-solubles et même les algues, sur les surfaces internes de l'échangeur de chaleur. Suivant les matières traitées, cet encrassement peut se produire à la fois sur la surface primaire et sur la surface de service de l'échangeur, et parfois sur les deux simultanément.

Pourquoi l'encrassement est-il important ?

L'encrassement a un impact significatif sur le transfert de chaleur à travers la surface de l'échangeur de chaleur, et donc sur la performance opérationnelle globale et, en fin de compte, sur les performances économiques du process.
L'accumulation de l'encrassement réduit également la surface de la section transversale des tubes ou des canaux d'écoulement et augmente la résistance du ou des fluides circulant sur cette surface. Ces effets secondaires se cumulent et augmentent la chute de pression à travers l'échangeur de chaleur, ce qui réduit les débits et accentue davantage le problème. Dans les cas les plus défavorables, l'échangeur de chaleur se bloque alors rapidement.
Enfin, selon les dépôts en cause, ils peuvent entraîner une corrosion de l'échangeur thermique qui peut être souvent dissimulée par la couche d'encrassement elle-même. Cela réduit la durée de vie de l'échangeur de chaleur et peut entraîner une défaillance majeure.

Qu'est-ce que le coefficient/facteur d'encrassement ?

Le facteur d'encrassement représente la résistance théorique au flux de chaleur due à l'accumulation d'une couche de dépôts sur les surfaces des tubes de l'échangeur de chaleur. Dans la pratique, les facteurs d'encrassement sont souvent surestimés par l'utilisateur final dans le but de minimiser la fréquence des nettoyages. En réalité, l'utilisation d'un facteur d'encrassement erroné peut entraîner un recours plus fréquent au nettoyage.
Le coefficient d'encrassement est une valeur mathématique (généralement appelée Rf ou Rd) qui représente la résistance thermique du ou des dépôts. Il s'agit en fait d'un rapport entre le coefficient de transfert d'un échangeur de chaleur sain et le coefficient de transfert de la même unité après encrassement.
Des valeurs standard sont disponibles pour un certain nombre de liquides et de gaz courants tels que le fioul, l'eau de mer et la vapeur d'alcool. Toutefois, pour de nombreux matériaux, y compris ceux qui présentent les facteurs d'encrassement les plus élevés, comme par exemple les boues, il est plus judicieux d'analyser la substance afin d'obtenir un résultat précis.

Signes de l'encrassement

L'un des premiers signes d'un encrassement important au-delà des paramètres de conception est une perte de performance, du fait de la diminution du transfert de chaleur.
Une perte de pression accrue peut parfois être observée lorsque l'encrassement s'accumule, mais ce n'est pas là un indicateur fiable des performances de l'échangeur de chaleur et ce n'est certainement pas aussi efficace ni aussi fiable que le contrôle des performances du transfert de chaleur.

Les différents types d'encrassement

Il existe différents types d'encrassement, qui dépendent d'un certain nombre de facteurs, tels que les conditions de service de l'échangeur de chaleur. Il existe également différents termes généraux utilisés pour identifier les types d'encrassement, ce qui peut parfois entraîner une certaine confusion quant à ce qui se passe réellement dans une situation précise.
En simplifiant, il existe quatre différents types d'encrassement :
L'encrassement chimique, ou entartrage, se produit lorsque des changements chimiques dans le fluide provoquent le dépôt d'une couche de tartre sur la surface du tube. Un exemple courant est l'entartrage d'une bouilloire ou d'une chaudière causé par les sels de "dureté" qui se déposent sur les éléments chauffants car la solubilité des sels diminue avec l'augmentation de la température. La probabilité d'entartrage augmente en particulier avec l'augmentation de la température, de la concentration et du pH. Ces risques peuvent être minimisés en contrôlant soigneusement la température de la paroi du tube en contact avec le fluide. L'encrassement chimique doit être éliminé soit par un traitement chimique, soit par un détartrage mécanique.
L'encrassement biologique est causé par la croissance d'organismes, tels que les algues, qui se développent dans le fluide et se déposent sur les surfaces de l'échangeur de chaleur. Bien que les concepteurs d'échangeurs de chaleur n'aient aucun contrôle direct sur ce phénomène, il est possible de le limiter par le choix du matériau. Par exemple, les matériaux en cuivre non ferreux sont toxiques pour certains organismes. Ce type d'encrassement peut être éliminé soit par un traitement chimique, soit par brossage mécanique.

L'encrassement par dépôt (également appelé encrassement par sédimentation) se produit lorsque les particules contenues dans le fluide se déposent sur la surface, généralement lorsque la vitesse du fluide passe en dessous d'un niveau critique. Une bonne conception de l'échangeur de chaleur, y compris le calcul de la vitesse critique pour toute combinaison de fluides et de particules, doit aboutir à des vitesses de travail minimales supérieures à ce niveau critique. Le montage vertical de l'échangeur de chaleur peut également minimiser l'effet car la gravité entraîne les particules hors de l'échangeur de chaleur, à l'écart de la surface de transfert de chaleur, même à de faibles niveaux de vitesse. L'encrassement par dépôt est normalement éliminé mécaniquement par brossage ou raclage.

L'encrassement par corrosion se produit lorsqu'une couche de produits corrosifs s'accumule sur les surfaces du tube, formant une couche supplémentaire de matière, ayant souvent une résistance thermique. Il ne faut pas la confondre avec la corrosion qui se produit sous la couche d'encrassement/de dépôt, comme indiqué précédemment. L'utilisation de matériaux résistants à la corrosion, comme l'acier inoxydable, est un facteur clé dans la prévention de l'encrassement par corrosion.

Prévenir et réduire l'encrassement

Dans tous les cas, il vaut mieux prévenir que guérir : la prévention ou la réduction de l'encrassement sera moins coûteuse et plus efficace pour maintenir les performances de l'échangeur thermique que son élimination ou son nettoyage.
L'utilisation de tubes corrugués dans la conception des échangeurs, comme sur les échangeurs Euro Transfert, permet d'éviter l'encrassement par dépôt et l'encrassement chimique. L'encrassement par dépôt est réduit grâce à l'augmentation des niveaux de turbulence pour des vitesses de fluide plus faibles. L’encrassement chimique est souvent réduit parce que les coefficients de transfert de chaleur améliorés, générés par le tube corrugué, entraînent des températures de paroi du tube plus proches de la température du cœur du fluide.
La surface de l'échangeur de chaleur aura également un effet, et les surfaces rugueuses sont connues pour collecter les particules, ce qui augmente l'encrassement. Les surfaces lisses et polies que l'on peut obtenir sur les tubes fabriqués en acier inoxydable 304 ou 316 contribuent également à minimiser l'encrassement.

L’objet de notre message

Si certaines formes d'encrassement sont inévitables, une conception rigoureuse et le choix d'un échangeur de chaleur adapté, équipé par exemple de tubes corrugués, peuvent contribuer à en minimiser les effets. La première étape consiste systématiquement à analyser le produit et les fluides de service afin de calculer des coefficients d'encrassement précis. Cette analyse est ensuite suivie d'une conception adéquate pour garantir des vitesses de fluide, des températures et d'autres paramètres de fonctionnement adaptés.
La conception tiendra également compte de la probabilité d'encrassement et de la fréquence requise pour l'inspection et le nettoyage, et inclura ainsi des caractéristiques permettant de rendre ces procédures aussi rapides et simples que possible, tels que des plaques d'inspection intégrées et des tubes amovibles.

La meilleure façon d'assurer le bon fonctionnement de vos échangeurs de chaleur pendant de nombreuses années est sans aucun doute de fournir un maximum d'informations dès la phase de conception.