On a longtemps pensé qu'une conception à ailettes en spirale était la seule option pour une utilisation dans des environnements exigeant des matériaux lourds, une longue durée de vie et une robustesse globale. On pensait que les bobines à plaques et à ailettes étaient trop fragiles pour les rigueurs de nombreuses applications industrielles. Mais au cours des dernières décennies, il est devenu plus courant de voir des échangeurs de chaleur à plaques et à ailettes utilisés dans de nombreuses applications industrielles.
Cela ne veut pas dire que les bobines à ailettes en plaques ont remplacé les ailettes en spirale. Il existe encore une myriade d'applications dans lesquelles les bobines à ailettes en spirale constituent la meilleure option, mais de nouveaux processus permettant des éléments tels que des ailettes de plus gros calibre ont signifié que les options d'ailettes en plaques sont devenues plus populaires pour les applications où auparavant seules les constructions à ailettes en spirale auraient été envisagées.
Dans cet article, nous discuterons des deux types d’échangeurs de chaleur – de quelques détails sur la façon dont ils sont construits et des avantages de chacun.
Aileron en plaque
Dans un échangeur de chaleur à plaques et ailettes, les tubes sont insérés à travers une série d’« ailettes » métalliques. Ces ailettes sont fabriquées à l'aide d'un rouleau continu de métal (0,004" à 0,032") – du cuivre ou de l'aluminium, par exemple – qui passe dans une presse qui perce des trous pour les tubes et coupe la feuille sur mesure. Pour ce faire, les presses utilisent plusieurs types de matrices différents, qui permettent des configurations variables d'ailettes par pouce (FPI), d'espacement tube à tube et de diamètre de tube.
Ensuite, des tubes sont insérés à travers les ailettes. Ensuite, les tubes sont dilatés pour former une liaison sécurisée au sein du pack d'ailettes afin de maximiser le transfert de chaleur entre les tubes et les ailettes. Cela peut être accompli soit par un processus mécanique, soit en utilisant de l'eau sous pression.
Avantages
1. Variété d'options de matériaux : dans les bobines à ailettes en plaques, les ailettes peuvent être fabriquées à partir de n'importe quel nombre de matériaux. Quelques exemples populaires sont le cuivre, l’aluminium, l’acier au carbone et l’acier inoxydable, avec des matériaux comme le cuivre-nickel moins courants mais pas inconnus.
2. Variété de possibilités de configuration de la surface des ailettes : les ailerons peuvent être fabriqués à l'aide d'une variété de modèles et d'améliorations qui permettent d'augmenter la turbulence de l'air ou de rendre le serpentin plus facile à nettoyer, entre autres fonctions. Certaines surfaces d'ailerons populaires sont :
Aileron plat
Aileron ondulé
Aileron à onde sinusoïdale
Aileron de lance surélevé
Aileron à persiennes
3. Performances de transfert de chaleur : les bobines à ailettes à plaques pourraient fournir un meilleur coefficient de transfert de chaleur côté air que celui fourni par les ailettes enveloppées en spirale en raison de la plus grande surface secondaire, ce qui signifie que l'énergie est transférée plus efficacement à travers la bobine.
4. Variabilité de la densité des ailettes : la conception des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes permet un large éventail de densités d'ailettes, avec une plage typique de 1 à 25 FPI. Les bobines avec des ailettes enroulées en spirale standard ont tendance à être plus limitées dans cette zone, avec 4 à 13 FPI étant une plage typique, mais certaines ailettes enroulées en spirale avec des hauteurs d'ailettes très faibles peuvent atteindre un FPI beaucoup plus élevé.
Aileron en spirale
Également appelées conception à ailettes hélicoïdales, les ailerons enroulés en spirale ne sont essentiellement que cela : une aileron en forme d'hélice enroulée autour d'un tube. Contrairement aux conceptions à ailettes en plaque, qui impliquent plusieurs tubes passant à travers une ailette commune, les ailettes enroulées en spirale impliquent que chaque tube soit entouré d'ailettes en spirale sur toute sa longueur.
Avantages
1. Potentiel de remplacement facile : contrairement aux conceptions à ailettes en plaque, où le retrait et le remplacement de composants individuels peuvent être moins économiques que le remplacement de la bobine entière, certaines conceptions enroulées en spirale permettent de remplacer facilement les tubes en cas de dommage.
2. Très bon contact et liaison entre les ailettes et le tube (en particulier lors de l'utilisation de la méthode des ailettes intégrées) : Il existe plusieurs méthodes différentes utilisées pour fabriquer un tube à ailettes enveloppé en spirale. La méthode des ailettes intégrées crée la meilleure liaison entre les ailettes et le tube et peut être utilisée à des températures plus élevées, tandis que les options à enroulement sur bord et à pied en L sont mieux adaptées aux applications à basse température.
• Bord enroulé – une bande de matériau d'ailette est enroulée sur le tube dans une orientation perpendiculaire, créant une ailette en spirale continue sur toute la longueur du tube. L'aileron et le tube sont liés par tension.
• Enroulable ou à pied en « L » – une bande de matériau à ailettes est placée sur le tube de telle manière qu'une partie de la bande à ailettes se plie à 90° et se pose parallèlement au tube, créant un « pied ». Ce pied augmente la surface de contact des ailettes avec le tube, offrant ainsi un transfert de chaleur supplémentaire. Cette méthode repose également sur une liaison sous tension.
• Intégré : Pour cette méthode, une rainure est creusée sur la surface du tube et la bande d'ailettes est enroulée dans la rainure. Les bords de la rainure sont repoussés sur le bord de l’aileron pour verrouiller l’aileron en place. Cette méthode permet au matériau du tube lui-même d'adhérer à l'ailette, une liaison qui est maintenue même dans les applications à haute température.
3. Plus d'options de matériaux à haute température : pour les applications impliquant des températures de l'air comprises entre 400 et 700 °F, des ailettes enroulées en spirale en aluminium et en acier sont réalisables, tandis que les serpentins à ailettes en plaques doivent être fabriqués à l'aide d'ailettes et de tubes en acier lorsqu'ils fonctionnent à de telles températures.
