Avantages et particularités des échangeurs de chaleur tubulaires sur-mesure

Contexte : design et avantages des échangeurs de chaleur tubulaires sur mesure

Les échangeurs de chaleur tubulaires (shell and tube) sont largement utilisés dans de nombreuses industries pour réduire les pertes de chaleur, optimiser les réactions thermiques, chauffer ou refroidir des fluides, etc. Pour une introduction à leur fonctionnement, nous vous invitons à consulter un autre article dédié.

Dans celui-ci, nous expliquons l’intérêt des échangeurs personnalisés, comme ceux fabriqués par SAG : ils garantissent une efficacité thermique optimale pour votre procédé, tout en témoignant d’une maîtrise avancée de la conception et de la fabrication d’équipements sous pression. Vous découvrirez ici l’ensemble des aspects techniques et de design qui entrent en jeu.

Ce que couvre cet article

Les paramètres de conception qui définissent un échangeur tubulaire sur mesure : conditions de procédé, contraintes d’encombrement, encrassement, régimes d’écoulement et spécifications client.
Les codes de construction utilisés par SAG : ASME VIII, EN 13445, CODAP et standard TEMA.
Les matériaux disponibles : aciers carbone et inoxydables, titane, alliages nickel, cupronickel, solutions clad et PVDF.
Les configurations possibles : tubes droits, faisceaux en U, floating head, passes multiples, montage horizontal ou vertical…
Les internes d’optimisation : baffles, turbulateurs, filtres, démisters…
Des exemples concrets de configurations selon les contraintes process.

1) Conception d'un échangeur de chaleur tubulaire : les paramètres clés

Chaque échangeur personnalisé est pensé pour s’adapter au processus du client, pas l’inverse. Pour cela, plusieurs paramètres sont analysés et intégrés dès les premières étapes du design. En voici les principaux.

1.1. Les conditions de procédé (process data)

Il s’agit de comprendre les fluides qui entrent et sortent côté calandre et côté tubes.

Températures d’entrée et de sortie : elles déterminent le gradient thermique à appliquer. Plus il est élevé, plus le potentiel d’échange est grand… mais aussi plus les risques de dilatation thermique ou de fatigue mécanique existent.

Débits (massique ou volumique) : ils influencent directement la surface d’échange nécessaire. Un débit important nécessitera plus de tubes, ou une vitesse d’écoulement plus rapide.

Pressions de service : elles impactent l’épaisseur des parois, les choix de matériaux et le dimensionnement mécanique (surtout pour la calandre).

Type de fluide : gaz ou liquide, visqueux ou non, sale, corrosif, gélifiant… Ces caractéristiques influencent le choix des matériaux, le type de circulation, et la facilité de nettoyage.

Exemple de condition de procédé

Un fluide très visqueux comme un sirop pharmaceutique nécessite des vitesses plus lentes pour éviter des pertes de charge élevées, mais aussi un design facilitant le nettoyage CIP (clean-in-place).

1.2. Les contraintes d’encombrement sur le lieu de fonctionnement

Même avec les meilleures performances suivant les conditions de procédés, l’échangeur ne sert à rien s’il ne peut pas être intégré dans le processus du client. Son encombrement est donc un paramètre majeur à prendre en compte lors du dimensionnement thermique.

Certains clients imposent des limites en longueur, hauteur ou poids. Cela pousse à faire des compromis : faisceau en U au lieu de tubes droits, montage vertical au lieu d’horizontal, ou encore plusieurs petits échangeurs en parallèle.

Il peut aussi s’agir d’une intégration sur SKID process ou dans un container, où tout doit être compact et qui permet une certaine modularité.

Exemple

Chez SAG, il nous arrive de concevoir des échangeurs sur mesure destinés à être intégrés dans des espaces restreints : on joue alors sur des passes multiples, ou des arrangements de tubes non conventionnels.

1.3. Le niveau de salissure ou d’encrassement attendu

Certains procédés génèrent des dépôts ou de la corrosion dans l’échangeur. C’est fréquent dans les applications agroalimentaires, chimiques, pétrochimiques ou certaines industries lourdes.

On parle alors de facteur d’encrassement (fouling factor) à intégrer dans le calcul de surface.

On anticipe aussi les méthodes de nettoyage : mécanique (faisceau amovible, trous d’homme, etc) ou chimique (CIP/SIP).

Cela peut influencer le choix d’un faisceau tubulaire amovible, de bouchons de nettoyage, ou même de tubes avec surface lisse/polie.

1.4. Le sens des flux et les régimes d’écoulement

Le design dépend aussi du sens de circulation des fluides :

Co-courant, contre-courant, croisé : chaque configuration a ses avantages thermiques.

On cherche souvent à atteindre le meilleur compromis entre transfert thermique et pertes de charge. Trop de perte de charge = besoin de pompes plus puissantes = plus de coûts d’exploitation.

Un bon design anticipe ces équilibres, tout en assurant un régime d’écoulement turbulent (souvent préférable pour améliorer l’échange).

1.5. Les spécifications client ou normes internes

Enfin, certains clients imposent des paramètres supplémentaires :

Matériaux interdits ou obligatoires (souvent dans le pharma ou l’alimentaire) ;

Normes internes ;

Exigences de test ou de documentation (ex : radiographie 100 %, double certification PED/ASME, etc.).

Le rôle de l’ingénieur thermicien est donc de croiser les exigences du process, les contraintes du site et les attentes du client pour proposer un appareil à la fois performant, durable et conforme.

Chez SAG Industries, le dimensionnement des échangeurs de chaleur s’appuie sur des outils professionnels reconnus dans l’industrie. Les calculs thermiques et mécaniques sont réalisés avec Aspen Exchanger Design & Rating (EDR), tandis que les modèles 3D et les plans de fabrication sont générés à l’aide d’un logiciel de CAO dédié (Inventor) et vérifiés mécaniquement via AutoPIPE Vessel, notamment pour les contraintes de pression, de dilatation et les combinaisons de charge. Cette chaîne numérique garantit des conceptions précises, traçables et conformes aux codes en vigueur.

2) Codes de construction, standards et directives des échangeurs : ASME, EN 13445, TEMA et directive PED

Le dimensionnement d’un échangeur tubulaire ne repose pas uniquement sur des calculs thermiques et mécaniques. Il doit également répondre à un ensemble de règles de conception établies par des codes de construction reconnus, qui garantissent la sécurité, la fiabilité et la conformité réglementaire de l’équipement.

Ces codes définissent notamment les méthodes de calcul, les critères de résistance mécanique, les tolérances, les essais à effectuer, ainsi que la documentation à fournir. Le choix du code dépend du marché, du secteur industriel, de la localisation géographique ou tout simplement des exigences spécifiques du client.

2.1. Les principaux codes de construction pression utilisés

Voici les codes de construction les plus fréquemment utilisés pour les échangeurs tubulaires :

ASME VIII Division 1

USA et international

EN 13445

Europe

CODAP

France

AD-MERKBLÄTTER

Allemagne

Le choix dépend du marché cible et des exigences spécifiques du client. Certains projets imposent une double conformité, par exemple ASME et EN 13445 simultanément.

2.2. Le standard TEMA

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)

TEMA est un standard de conception spécifique aux échangeurs tubulaires. Il classe les échangeurs par type (TEMA R, C, B…), définit les dimensions standards, les types d’extrémités, et donne des recommandations sur la maintenance et les performances mécaniques. TEMA est utilisé en complément d’un code pression (ASME ou autre).

2.3. La directive PED

La PED (Pressure Equipment Directive, 2014/68/UE) est le cadre réglementaire européen pour la mise sur le marché des équipements sous pression. Elle fixe les exigences essentielles de sécurité et impose le marquage CE. Les codes comme l’EN 13445 sont précisément les outils qui permettent d’en démontrer la conformité.

2.4. Particularités et implications

Chaque code a ses propres méthodes de calcul, parfois plus conservatrices que d’autres. À performances thermiques égales, un échangeur calculé selon ASME pourra différer d’un autre conçu selon EN 13445, tant en épaisseur de virole qu’en géométrie.

Ensuite, les exigences en matière d’essais non destructifs (CND, Contrôle Non Destructif) varient également : radiographie des soudures, ressuage, épreuve hydraulique, tests d’étanchéité par hélium, etc.

Certains clients ou secteurs imposent aussi une double conformité (par exemple ASME + PED) ou des standards internes équivalents à un code renforcé.

2.5. Flexibilité de conception des échangeurs de chaleur chez SAG

Chez SAG, tous les échangeurs sont conçus en respectant les codes demandés par le client, avec une traçabilité documentaire complète validée par des organismes notifiés (NOBO) tels qu’Apragaz. Le bureau d’études maîtrise les principaux codes internationaux, ce qui permet de répondre à des demandes aussi bien locales que internationales, pour tous types d’industries : chimie, énergie, nucléaire, hydrogène, agroalimentaire, pharma, oil & gas, etc.

Fort de plusieurs dizaines de milliers d’échangeurs réalisés depuis 1958, SAG capitalise sur son savoir-faire technique, se positionnant comme un acteur incontournable du dimensionnement et de la fabrication d’équipements process.

Jean-Maurice Hannard

Business Unit Manager

3) Matériaux pour échangeurs de chaleur tubulaires : sélection et critères

Le choix des matériaux est un point crucial, car il conditionne la durabilité, la résistance à la corrosion, la compatibilité chimique et la résistance mécanique de l’échangeur.

Chez SAG, les matériaux sont sélectionnés en fonction des conditions de service : nature des fluides, températures, pressions, agressivité chimique, risques d’encrassement, et exigences réglementaires.

3.1. Matériaux utilisés

Acier carbone : P265GH, P355NL, SA516Gr60, etc.
Aciers inoxydables : 316L, 321, 321H, 254SMO, etc.
Titane : Grade 2, Grade 12, etc.
Aluminium : Al1050, Al1060, Al1070, etc.
PVDF : Utilisé pour certaines applications spécifiques nécessitant une très haute résistance chimique
Alliages d'aciers : P5, P11, P22, 15Mo3, 16Mo3, etc.
Alliages à base de nickel : Incoloy, Hastelloy, Inconel, etc.
Alliages de cuivre et cupronickel : C12200, C46400, , C71500, etc.

3.2. Critères de sélection des matériaux

Corrosion

Le matériau doit résister à la corrosion interne (fluides process) et externe (atmosphère, environnement).

Compatibilité chimique

Certains fluides interagissent fortement avec certains métaux.

Température et pression

La résistance mécanique varie avec la température et la pression en jeu.

Normes et codes

Les matériaux doivent être certifiés conformes aux normes en vigueur (Certificats 3.1, etc)

Soudage et fabrication

Impact sur la faisabilité technique et les coûts.

Grâce à son bureau de soudage, SAG peut assembler divers matériaux en s’appuyant sur un large éventail de QMOS et DMOS existantes, ou en développant de nouvelles procédures sur mesure, validées par des organismes notifiés (NOBO) tels qu’Apragaz.

4) Configurations d'échangeurs tubulaires : faisceaux, baffles et optimisation process

Un échangeur tubulaire, sur le papier, peut sembler simple : un fluide circule dans des tubes, un autre dans une enveloppe autour. En pratique, avec un échangeur sur mesure, les possibilités de configuration sont aussi larges que vos process le nécessitent, et le choix d’une architecture plutôt qu’une autre dépend directement des objectifs du procédé, des contraintes de site et de la nature des fluides (cfr. première partie de cet article).

Avant la fabrication, l’objectif de SAG est d’identifier la configuration optimale, à la fois en termes de performance thermique, de maintenance et de coût global.

4.1. Types de calandre et de faisceau

Voici quelques exemples non exhaustifs qui vous montreront l’étendue des configurations possibles :

Tubes droits avec plaques tubulaires fixes
Simples à fabriquer et à installer. Recommandés quand il n’y a pas de grande différence de température entre les deux fluides. Peu adaptés au nettoyage mécanique interne, car le faisceau est fixe.

Faisceau en U (U-tube)
Très courant dans l’industrie. Ce design permet d’absorber des dilatations thermiques importantes sans ajouter de compensateurs. Le faisceau est autoportant d’un seul côté, ce qui facilite la fabrication, mais limite l’inspection intérieure des tubes (nettoyage mécanique plus compliqué).

Faisceau amovible (type “floating head” ou “pull-through bundle”)
Adapté aux fluides sales ou encrassants. Le faisceau peut être retiré pour nettoyage ou inspection complète. Requiert plus d’espace et un budget plus élevé, mais offre une grande flexibilité en maintenance.

Tubes à passes multiples
On divise l’écoulement dans les tubes en plusieurs passes pour augmenter la vitesse, améliorer le transfert thermique ou réduire la longueur de l’échangeur. C’est un moyen d’optimiser la compacité, surtout quand l’espace est limité.

Double enveloppe (“jacketed”) ou calandre annulaire
Utilisé dans des cas spécifiques, par exemple en laboratoire ou pour des petites capacités, quand l’échange thermique doit être très contrôlé. Ce n’est pas un design courant dans les applications industrielles de moyenne ou grande puissance.

TEMA Type BEU
Calandre avec faisceau en U et bonnet simple côté tubes.

TEMA Type AES :
Tête amovible à couvercle, calandre une passe et fond flottant.

TEMA Type BEM :
Configuration à deux bonnets fixes pour un montage simple.

4.2. Orientation et positionnement

Montage horizontal : le plus courant. Facile à intégrer dans une installation standard.

Montage vertical : utile quand la place au sol est limitée, ou pour favoriser le drainage naturel des fluides (notamment les condensats ou boues). Imposé dans certains procédés batch ou sur skid compact, colonnes, etc.

4.3. Selon les nécessités spécifiques au process client

La configuration ne concerne pas uniquement la circulation des fluides. Un échangeur tubulaire peut aussi être adapté dans ses moindres détails selon les exigences du client et les contraintes d’installation, souvent en lien direct avec les autres équipements du process :

Entrées/sorties : orientation verticale ou horizontale, type de brides, raccords spécifiques, piquages supplémentaires, …

Oreilles de levage : pour faciliter la manutention sur site ou à l’atelier.

Supports : plots, selles, consoles, pieds avec ancrages, selon l’implantation.

Accès de maintenance : trous d’homme, bouchons de visite, raccords de vidange, échelles.
Interfaces spécifiques : platelages, plateformes d’accès, brides de capteurs, instruments, vannes, etc.

4.4. Choix selon le fluide et le nettoyage

Le choix du fluide influence directement le design de l’échangeur selon son facteur d’encrassement, sa corrosion ou encore son coefficient de dilatation.

Un fluide propre et non corrosif ?

Un faisceau fixe suffit souvent.

Fluide visqueux ou sale ?

Faisceau amovible ou design facilitant le nettoyage par circulation.

Fortes dilatations thermiques ?

U-tube, compensateurs ou plaques glissantes (floating head).

4.5. De nombreux internes pour optimiser son fonctionnement

Les internes d’un échangeur tubulaire sont des éléments placés à l’intérieur de la calandre ou des tubes pour améliorer les performances ou faciliter certaines fonctions. Ils peuvent sembler secondaires, mais ils jouent un rôle clé dans l’efficacité et la maintenance. En voici quelques exemples :

Les internes jouent plusieurs rôles clés dans les échangeurs tubulaires : ils permettent d’améliorer les performances thermiques en augmentant la turbulence sans pour autant accroître la taille de l’équipement, de réduire les risques mécaniques en limitant les vibrations ou la fatigue des tubes, de faciliter la maintenance en rendant certaines zones plus accessibles ou inspectables, et d’optimiser la compacité globale de l’échangeur en maximisant l’efficacité du transfert thermique sur un encombrement réduit.

4.6. Exemples concrets de configurations d’échangeurs de chaleur

Les échangeurs des photos suivantes ont tous été fabriqués par SAG Industries pour différents secteurs tels que l’industrie, le pharmaceutique, la chimie ou encore l’énergie. Les descriptions attachées peuvent ne pas correspondre entièrement aux images qui sont illustratives.

4.7. Exemples d’échangeurs tubulaires selon utilisations

Procédé de condensation de vapeur sous vide : montage vertical, tubes lisses, configuration co-courant pour favoriser l’écoulement gravitaire.

Refroidissement d’un fluide sale issu d’un procédé de réaction chimique : faisceau amovible avec tubes droits, passages larges, possibilité de nettoyage mécanique.

Échangeur intégré dans un skid de traitement mobile : faisceau en U, montage horizontal compact, plusieurs passes dans les tubes pour optimiser la surface dans un encombrement réduit.

Refroidissement de gaz haute température en sortie de réaction : montage horizontal, faisceau droit, utilisation de baffles transversaux pour forcer le flux côté calandre et maximiser la turbulence. Intégration d’un démister en sortie pour capter les gouttelettes avant la ligne aval. Alliage haute température type Incoloy 800H.

Échangeur compact pour fluide légèrement encrassant : tubes à passes multiples avec turbulateurs internes, baffles segmentés côté calandre pour optimiser l’écoulement sans créer de zones mortes. Montage horizontal intégré dans un skid, nettoyage facilité par circulation chimique (CIP).

5) SAG Industries, fabricant d'échangeurs de chaleur tubulaires sur mesure

Comme vous l’aurez compris, la configuration d’un échangeur tubulaire sur mesure dépend avant tout de vos contraintes de process : nature des fluides, températures et pressions en jeu, niveau de salissure, exigences de nettoyage ou d’inspection, implantation sur site, etc.

Ces paramètres influencent directement les choix de conception : type de faisceau et de calandre, orientation, nombre de passes, type de TEMA, internes thermiques ou mécaniques, interfaces spécifiques, les matériaux à privilégier, etc.

C’est le cœur de notre valeur ajoutée, chez SAG chaque échangeur est conçu pour répondre précisément à votre réalité terrain. Le bon design, c’est celui qui maximise la performance thermique, réduit les coûts d’exploitation et facilite la maintenance sur le long terme

Questions habituelles sur le sujet :

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur tubulaire sur mesure ?

Un échangeur tubulaire sur mesure est un équipement thermique conçu spécifiquement pour les contraintes de procédé d'un client : fluides, températures, pressions, encombrement et normes applicables. Contrairement à un équipement standard, chaque paramètre ( géométrie, matériaux, configuration, internes) est dimensionné pour maximiser les performances sur l'application cible.

Quels codes de construction s'appliquent aux échangeurs de chaleur tubulaires ?

Les principaux codes utilisés sont l'ASME VIII Division 1 (marché américain et international), l'EN 13445 (Europe), le CODAP (France) et le standard TEMA, spécifique aux échangeurs tubulaires. Certains projets requièrent une double conformité, par exemple ASME et PED simultanément.

Comment choisir les matériaux d'un échangeur tubulaire ?

Le choix dépend de la nature des fluides (corrosifs, visqueux, chargés), des températures et pressions de service, et des exigences réglementaires. Les matériaux courants vont de l'acier carbone aux alliages nickel (Incoloy, Hastelloy, Inconel), en passant par le titane et les solutions cladées.

Quelle est la différence entre un faisceau fixe, un faisceau en U et un floating head ?

Un faisceau fixe est simple et économique, adapté aux fluides propres et aux faibles écarts de température. Le faisceau en U absorbe mieux les dilatations thermiques et facilite la fabrication. Le floating head (faisceau amovible) est privilégié pour les fluides encrassants ou corrosifs, car il permet un nettoyage et une inspection complets.

SAG Industries fabrique-t-il des échangeurs conformes aux normes TEMA et ASME ?

Oui. SAG Industries maîtrise les principaux codes internationaux (TEMA, ASME, EN 13445, CODAP, PED) et assure une traçabilité documentaire complète sur chaque équipement. Le bureau d'études utilise des outils reconnus dans l'industrie (Aspen EDR, Inventor, AutoPIPE Vessel) pour garantir la conformité mécanique et thermique.