D2-1 - B Enspm [PDF]

Zitiervorschau

Risques et Précautions liés au Matériel

MATÉRIEL THERMIQUE Ingénieurs en Sécurité Industrielle

TECHNOLOGIE ET UTILISATION DES ÉCHANGEURS

D2

-1/B

I - DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS.................................................................................. 1 II - ÉCHANGEURS TUBULAIRES À FAISCEAU ET CALANDRE ................................................. 1 1 - Principe de circulation des fluides et technologie ............................................................................... 1 2 - Différents types d'éléments ................................................................................................................ 2

III - EXEMPLES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES .......................................................................... 4 1 - Échangeur à tête flottante...................................................................................................................4 2 - Échangeur à plaques tubulaires fixes.................................................................................................4 3 - Échangeurs à tubes en U ...................................................................................................................5 4 - Échangeur type Kettle ........................................................................................................................ 5

IV - ÉCHANGEURS DOUBLE TUBE ............................................................................................... 6 V - RÉCHAUFFEURS DE RÉSERVOIRS ...................................................................................... 9 VI - AÉRORÉFRIGÉRANTS ET AÉROCONDENSEURS.............................................................. 12 1 - Description........................................................................................................................................ 12 2 - Comparaison de technologies différentes ........................................................................................ 13 3 - Modulation de la puissance thermique .............................................................................................13

VII - ÉCHANGEURS DE CHALEUR SPÉCIAUX............................................................................ 15 1 - Échangeurs à plaques ...................................................................................................................... 15 2 - Échangeurs spiralés .........................................................................................................................17 3 - Échangeurs pour vaporisation de gaz naturel liquéfié et d'azote liquide .......................................... 18 4 - Échangeurs cryogéniques bobinés...................................................................................................19

EN ECH - 02360_A_F - Rév. 1

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29/09/2005

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D 2 -1/B I-

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS La plupart des échangeurs de chaleur offrant une surface de séparation entre fluide chaud et fluide froid peuvent être classés selon les familles technologiques suivantes : – – – – – –

II -

échangeurs tubulaires ou faisceau-calandre échangeurs double tube serpentins (de réchauffage ou de refroidissement) échangeurs à plaques (démontables ou brasés) échangeurs spiralés échangeurs à air

ÉCHANGEURS TUBULAIRES À FAISCEAU ET CALANDRE 1-

PRINCIPE DE CIRCULATION DES FLUIDES ET TECHNOLOGIE Un des fluides circule dans un faisceau de tubes monté sur deux plaques tubulaires. Il est logé dans une calandre (shell en anglais) munie de tubulures d'entrée et de sortie pour le fluide circulant à l'extérieur des tubes le chemin imposé par les chicanes qui sont supportées par le faisceau. A chaque extrémité du faisceau sont fixées des boîtes de distribution qui assurent la circulation du fluide qui passe à l'intérieur des tubes. Le schéma de principe ci-dessous représente un échangeur pour lequel le fluide, qui passe côté tube, pénètre dans la boîte de distribution par la tubulure inférieure. Une plaque de séparation de passe force son passage dans environ la moitié des tubes du faisceau.

entrée fluide côté calandre

sortie fluide côté tubes calandre

tubes

plaque tubulaire cloison séparation de passes

plaque tubulaire

chicanes

boîte de distribution sortie fluide entrée fluide côté calandre côté tubes

À l'autre extrémité du faisceau, le fluide est dirigé par la boîte de retour dans les tubes au-dessus de la plaque de séparation de passe avant de sortir par la tubulure supérieure de la boîte de distribution. Le fluide parcourt donc deux fois le faisceau tubulaire d'où l'appellation : 2 passes côté tubes.

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D MTE 003 A

boîte de retour ou fond de calandre

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D 2 -1/B Côté calandre, le fluide se dirige d'une extrémité à l'autre, son cheminement étant allongé par des chicanes transversales qui le forcent à s'écouler perpendiculairement à l'axe des tubes. Ici, le fluide parcourt une seule fois la calandre, l'échangeur a donc une seule passe côté calandre. Un tel appareil est dit : deux passes tube - une passe calandre.

2-

DIFFÉRENTS TYPES D'ÉLÉMENTS Les échangeurs tubulaires existant en usine sont très variés dans leur technologie bien que le principe reste toujours le même. Ainsi, tous les éléments entrant dans la constitution des échangeurs ont fait l'objet d'une normalisation publiée par le TEMA (Standards of Tubular Exchangers Manufactures Association). La planche de la page suivante représente les différentes technologies utilisées. L'essentiel des différences concerne : – la forme des distributeurs – l'agencement de la circulation dans la calandre – la forme du fond de calandre – la méthode utilisée pour permettre au faisceau de se dilater dans la calandre – la pression de fonctionnement

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D 2 -1/B DIFFÉRENTS TYPES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES

Type de chambre de distribution

Type de fond de calandre

Type de calandre

L

E

Plaque tubulaire fixe type "A"

A Calandre à une passe Chambre avec couvercle démontable

M Plaque tubulaire fixe type "B"

F Calandre à deux passes avec cloison longitudinale

B

N Plaque tubulaire fixe type "N"

G Chambre "Bonnet" Écoulement séparé

C

P

Faisceau tubulaire démontable

Fond flottant ou tête flottante avec garniture externe

H

Chambre intégrée à une plaque tubulaire avec couvercle démontable

Double écoulement séparé

S Fond flottant ou tête flottante avec contre bride démontable

J N

Écoulement divisé Chambre intégrée à une plaque tubulaire avec couvercle démontable

T Fond flottant ou tête flottante à passage direct

K U Rebouilleur "Kettle" Faisceau à tubes en U

X Chambre à fermeture spéciale pour haute pression

W Courants croisés

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Fond flottant ou tête flottante avec garniture externe à détecteur de fuite

D MTE 014 A

D

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D 2 -1/B III - EXEMPLES D'ÉCHANGEURS TUBULAIRES 1-

ÉCHANGEUR À TÊTE FLOTTANTE (type AES) L'une des plaques tubulaires est fixe, bloquée entre les brides de la calandre et de la boîte de distribution. La seconde plaque, d'un diamètre inférieur, porte la boîte de retour et peut coulisser librement à l'intérieur du capot qui ferme la calandre. Les appareils permettant l'expansion thermique du faisceau constituent la grande majorité des échangeurs utilisés en pétrochimie ou en raffinage du pétrole. L'exemple représenté ci-dessous est à 2 passes côté tubes et une passe côté calandre. Ce type d'appareil présente certains inconvénients en particulier, le joint de la boîte de retour est invisible et une fuite se traduit par une pollution de l'autre fluide plus ou moins difficile à détecter. Cloison de répartition de passes

Bossage pour instrument de mesure

Chicanes transversales

Faisceau tubulaire

Anneau de levage

Évent

Fond de tête flottante Couvercle démontable du distributeur

Plaque tubulaire fixe

Calandre

Berceau support

Purge

Fond de calandre

D MTE 005 A

Plaque tubulaire de tête flottante

Évent Distributeur à fond soudé

2 - ÉCHANGEUR À PLAQUES TUBULAIRES FIXES (type BEM)

Plaque tubulaire fixe Évent

Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent être directement soudées sur la calandre. Faisceau et calandre étant solidaires, ces appareils ne peuvent être utilisés que si la différence de température entre les fluides chaud et froid est suffisamment faible pour que la dilatation ou la contraction du faisceau soit acceptable. Un soufflet de dilatation est prévu à cet effet.

L'exemple représenté ci-contre est à une passe côté tube et une passe côté calandre. Chaque boîte ne porte dans ce cas, qu'une tubulure d'entrée ou de sortie du produit qui passe dans les tubes.

Faisceau tubulaire Calandre

Purge Plaque tubulaire fixe Boîte conique

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Chicane transversale

Bossages des instruments de mesure

D MTE006 A

Par ailleurs, le faisceau n'étant pas démontable, on ne peut effectuer le nettoyage de l'extérieur des tubes que par voie chimique. Leur emploi sur des services encrassants est exclu.

Console soudée

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D 2 -1/B 3-

ÉCHANGEURS À TUBES EN U (type CFU) Le faisceau est constitué de tubes coudés en forme d'épingle, il n'est donc porté que par une seule plaque tubulaire. Ce système permet la libre dilatation du faisceau. En revanche, le nettoyage des tubes est difficilement réalisable autrement que par voie chimique. Ils sont obligatoirement à 2 passes côté tubes ; dans l'exemple présenté ci-dessous, l'appareil est à deux passes côté calandre. Celle-ci porte en effet une chicane longitudinale et les deux tubulures d'entrée et de sortie du fluide qui passe côté calandre sont dans un même plan vertical. Cloison de répartition de passes

Bossage pour instrument de mesure

Chicane transversale

Calandre

Évent Faisceau à tubes en U

Couvercle démontable du distributeur

4-

Plaque tubulaire fixe

Chicane longitudinale

Berceau support

D MTE 007 A

Fond bombé

Purge

ÉCHANGEUR TYPE KETTLE (AKT) Cet appareil est utilisé quand il s'agit de vaporiser partiellement un liquide et il est conçu pour assurer la séparation des deux phases. Le liquide à vaporiser vient baigner le faisceau tubulaire à l'intérieur duquel circule le fluide chaud. Un déversoir maintient le niveau liquide juste au-dessus du faisceau. La calandre est d'un diamètre nettement supérieur à celui du faisceau, ce qui aménage une zone de désengagement de la vapeur et permet d'éviter les entraînements de liquide. La vapeur produite sort par la tubulure située à la partie supérieure de la calandre. Le liquide non vaporisé passe au-dessus du barrage et il est soutiré de l'appareil généralement sous contrôle de niveau (les prises de niveau apparaissent sur le schéma). Ici, le faisceau (à deux passes) est du type à fond flottant mais on utilise également des tubes en U. Ce type d'appareil tolère des taux de vaporisation élevés. Mais le temps de séjour du liquide y est relativement grand, ce qui favorise l'encrassement où la dégradation des produits sensibles à la chaleur. Sortie vapeur Prise haute de niveau Bossage pour instrument de mesure

Calandre Plaque tubulaire fixe Plaque tubulaire

Cloison de répartition de passes

Fond de tête flottante

Fond bombé soudé

déversoir

Faisceau tubulaire

Plaques support

Prise basse de niveau

Berceau support

Entrée du liquide à rebouillir

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Sortie du liquide rebouilli

D MTE 008 A

Couvercle démontable du distributeur

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D 2 -1/B IV - ÉCHANGEURS DOUBLE TUBE (double pipe) Ils sont constitués par des séries de deux tubes concentriques réunis par des coudes et des boîtes de jonction, l'un des fluides circulant à l'intérieur du tube de plus petit diamètre, l'autre dans l'espace annulaire entre les deux tubes. Ce type d'échangeur réalise la circulation parfaite à contre-courant. Il ne convient que pour des débits relativement faibles. Suivant les produits utilisés, la différence de dilatation entre les tubes intérieurs et extérieurs peut être absorbée soit : – par un soufflet de dilatation – par un presse-étoupe (si eau à l'extérieur) – le plus souvent par une boîte de retour (cas de fluide corrosif ou inflammable) laissant libre l'épingle intérieure

Détail de l'éntrée

D'après Brown Fine Tube

D MTE 011 A

Détail de l'épingle

Ces appareils sont de construction facile et peuvent être normalisés en partant d'éléments standards.

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D 2 -1/B Les tubes généralement utilisés correspondent aux associations suivantes : Diamètre nominal Tube intérieur

1" 1/4

1" 1/4

2"

3"

Tube extérieur

2"

2" 1/2

3"

4"

Les longueurs normalisées les plus utilisées sont : 12, 16 ou 20 pieds ; au-delà il y a risque de fléchissement. Le montage se fait par épingles qui peuvent être groupées en série, en parallèle, et en série-parallèle. Le démontage facile permet des nettoyages fréquents. Leur inconvénient tient à un encombrement important rapporté à la surface installée. Leur utilisation courante correspond à une surface de l'ordre de 10 à 20 m2. Du point de vue prix, ils peuvent devenir compétitifs vis-à-vis d'un appareil à faisceau et calandre pour des surfaces inférieures à 50 m2. Très souvent, les tubes intérieurs sont munis d'ailettes extérieures longitudinales qui permettent de réaliser une extension de la surface d'échange dans un rapport pouvant aller jusqu'à 10 :

rapport

surface totale ailetée = 1 à 10 surface de tube nu

Cette extension est intéressante si le coefficient de transfert par convection est faible du côté extérieur. Les ailettes sont fixées soit par brasage, soit par soudure, ou filées par extrusion. Dans ce cas, le tube extérieur est beaucoup plus grand que celui correspondant à un échangeur à paroi lisse. Sur le même principe sont conçus des appareils multitubes composés de 7 à 24 tubes fixés sur une plaque tubulaire, chaque épingle pouvant se dilater indépendamment de l'autre. Par ailleurs, il existe plusieurs systèmes d'étanchéité et diverses conceptions de raccordement selon le niveau de pression.

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D MTE 2014 A

D 2 -1/B

Par ailleurs, il existe différents types de boîtes de retour et de systèmes d'étanchéité : boîtes de retour à couvercle plat ou à bonnet

-

étanchéité assurée par un ou deux joints toriques

D MTE 402 A

-

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V-

D 2 -1/B

RÉCHAUFFEURS DE RÉSERVOIRS Ces appareils sont utilisés pour maintenir des produits visqueux à un niveau thermique adéquat afin d'assurer leur pompabilité dans des conditions économiques. Ils sont tubulaires; le fluide chauffant circulant à l'intérieur des tubes est le plus souvent de la vapeur d'eau basse pression en condensation. Les tubes sont généralement munis d'ailettes perforées ou non pour compenser le faible coefficient de transfert en convection du côté du fluide visqueux, qu'il y ait agitateur ou non.

Les différentes solutions technologiques sont : – le serpentin disposé dans le fond du réservoir, constitué en général, par un tube de 2" soit enroulé en hélice, soir assemblé sous forme d'épingles

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D 2 -1/B

Espace libre mini à prévoir pour le passage du plomb de sonde

Tubulure d'entrée de vapeur

Purges produit

Entrée et reprise produit

D MTE 009 A

Tubulure de sortie d'eau condensée Flotteur de l'indicateur de niveau

• les réchauffeurs horizontaux constitués : – d'épingles

D MTE 2011 A

- d'une nappe de tubes avec collecteurs

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les réchauffeurs verticaux qui occupent une place réduite sur le fond du réservoir, laissant 90 % de la surface aisément accessible et permettant un nettoyage facile.

D MTE 2012 A

•

D 2 -1/B

D MTE 2013 A

Lorsque le produit stocké est très visqueux, son maintien en température est onéreux ; on se contente de réaliser un réchauffage local en plaçant un réchauffage - baïonnette sur la bride d'évacuation, solution intermédiaire entre réchauffage en bac et réchauffage en ligne.

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VI - AÉRORÉFRIGÉRANTS ET AÉROCONDENSEURS 1-

DESCRIPTION À l'intérieur des tubes ailetés circule le produit en condensation, ou en réfrigération. Le faisceau aboutit à des boîtes de distribution ou collecteurs, qui répartissent le débit en une ou plusieurs passes. Ces boîtes de distribution peuvent être à couvercle démontable ou soudé. Dans ce dernier cas, un bouchon fileté se trouve dans l'axe de chaque tube ce qui permet de le nettoyer, ou de le condamner. Des ventilateurs produisent la circulation de l'air à travers le faisceau. Dans tous les cas, l'air circule de bas en haut et selon la disposition du ventilateur par rapport au faisceau de tubes, on distingue : – les appareils à tirage induit : le ventilateur est au-dessus du faisceau

anneau de ventilation

ventilateurs

boîte de retour

faicseau tubulaire

caisson

– les appareils à tirage forcé : le ventilateur est sous le faisceau

D MTE 089 A

conduit

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D MTE 004 A

boîte de distribution

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2-

D 2 -1/B

COMPARAISON DE TECHNOLOGIES DIFFÉRENTES Les principaux avantages de deux types d'appareils sont résumés ci-dessous.

Tirage induit

3-

Tirage forcé

– Bonne protection du faisceau

– Bonne disposition de l'ensemble motoventilateur qui travaille dans l'air froid

– Moins de risques de recirculation d'air (vitesse de sortie de l'air plus grande)

– Puissance consommée plus faible

– Bonne distribution de l'air

– Bonne accessibilité du faisceau

– Bon tirage naturel par effet de cheminée quand les ventilateurs sont arrêtés (conserve 30 à 40 % de son efficacité)

– Pas d'axe traversant le faisceau

– Place libre sous le faisceau pour l'installation d'autres équipements sous réserve des problèmes de sécurité

– Maintenance plus facile

– Moins de vibrations

– Possibilité d'intervention sur un ventilateur hors arrêt

MODULATION DE LA PUISSANCE THERMIQUE La température de l'air étant sujette à variations, il existe différents systèmes de régulation de ces appareils dont les principaux sont : – arrêt ou mise en service d'un ou de plusieurs ventilateurs, utile sur les échangeurs comportant un grand nombre de ventilateurs – pales à inclinaison variable permettant de faire varier le débit d'air en circulation soit d'une manière continue en marche, soit par un changement de réglage à l'arrêt – vitesse variable des ventilateurs – utilisation des persiennes ou ventelles placées au-dessus du faisceau permettant de réguler le débit d'air La gratuité de l'air et les problèmes d'approvisionnement en eau ont amené un développement très important de ce type d'appareil. Toutefois, il faut citer quelques inconvénients à leur utilisation : – ils sont chers – ils sont bruyants – ils ne permettent pas d'obtenir des températures très basses à cause de la température de l'air. Dans certains cas, on utilise le fait que l'eau de réfrigération est plus froide en adoptant une combinaison aéroréfrigérant puis condenseur de finition (trim-cooler) à eau pour obtenir une température suffisamment basse

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D 2 -1/B

D MTE 012 A

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D MTE 013 A

Tirage induit

Tirage forcé

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D 2 -1/B

VII - ÉCHANGEURS DE CHALEUR SPÉCIAUX 1-

ÉCHANGEURS À PLAQUES

a - Plaques assemblées par joint Un échangeur à plaques est constitué d'un ensemble de plaques embouties, en inox ou en tous autres matériaux nobles tels que le titane, l'hastelloy, etc. selon les utilisations prévues. Le transfert de chaleur entre les deux fluides s'effectue au travers de ces plaques.

D MTE 2055 A

Les plaques munies de joints qui assurent l'étanchéité, sont comprimées entre un bâti fixe et un plateau de serrage mobile au moyen de tirants latéraux ; elles sont suspendues entre deux barres horizontales fixées sur la partie fixe et sur une colonne support. La simplicité de la construction de l'échangeur de chaleur à plaques permet de le démonter facilement pour inspection ou nettoyage. Par contre, le remontage est souvent délicat à cause de la mise en place des joints entre les plaques, particulièrement pour les plaques de grande taille.

D MTE 2059 A

Les principaux avantages des échangeurs à plaques sont les suivants : ils sont simples et peu encombrants (1 m3 pour 200 m 2 de surface d'échange) ; ils offrent la possibilité de traiter plusieurs liquides simultanément par l'emploi de boîtes de distribution intermédiaires; leurs plaques sont interchangeables.

D MTE 2060 A

Ils conviennent surtout aux échanges liquide-liquide. Leur utilisation est limitée aux pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 200°C.

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b - Plaques soudées Des chambres faites d'une tôle emboutie soudée sur une tôle plane sont auto-résistantes à la pression. Elles alternent avec des chambres sans point de contact permettant la circulation de fluides chargés ou encrassants.

Soudure TIG

Soudure par point

Fluide A

Soudure à la molette

D MTE 2056 A

Fluide B

Les chambres sont parcourues en série. La continuité des circuits est assurée par le côté pour un circuit, par le dessus et le dessous pour l'autre circuit.

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D 2 -1/B

2 - ÉCHANGEURS SPIRALÉS L'échangeur à spirale est constitué de deux bandes métalliques séparées par des entretoises et enroulées de façon à constituer un corps spiralé à deux canaux. Chaque fluide circule dans l'un des canaux.

Entrée fluide chaud

Entrée fluide chaud

Fluide refroidi

Sortie fluide réchauffé

L'étanchéité est assurée par soudure des bandes sur un bord et par le couvercle sur l'autre bord. Chaque canal est raccordé au centre (bride sur le couvercle) et à la périphérie. Ils conviennent tant aux échanges liquide-liquide qu'à la vaporisation et à la condensation. Leur utilisation est limitée aux pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 400°C.

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D MTE 2057 A

Fluide à réchauffer

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ÉCHANGEURS POUR VAPORISATION DE GAZ NATUREL LIQUÉFIÉ ET D'AZOTE LIQUIDE Ils sont constitués de rangées de panneaux verticaux construits à partir d'éléments tubulaires en aluminium réunis par des collecteurs aux deux extrémités. Chaque panneau est suspendu à la charpente du support de façon à permettre une certaine dilatation. Du gaz naturel liquéfié introduit dans le collecteur inférieur, remonte à l'intérieur du panneau pour ressortir sous forme gazeuse dans le collecteur supérieur après avoir été réchauffé par une pellicule d'eau descendant à l'extérieur des panneaux.

Water inlet

LNG inlet

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D MTE 2058 A

Gas outlet

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D 2 -1/B

ÉCHANGEURS CRYOGÉNIQUES BOBINÉS Ils correspondent aux caractéristiques suivantes : – un ou plusieurs fluides en condensation circulant côté tubes, à contre-courant d'un mélange liquide-vapeur en vaporisation – une différence importante de température entre l'entrée et la sortie (100°C) – une faible différence de température entre fluides échangeant leur chaleur de l'ordre de 5°C – des quantités de chaleur échangées très importantes (100 x 106 kcal/h) – des débits élevés pouvant atteindre 700 t/h Les échangeurs conventionnels ne permettent pas de résoudre ce type de problème. Ces échangeurs sont constitués par des couches successives de tubes enroulés en hélice. Ils sont utilisés pour des fluides divers (air, hydrogène, hélium, méthane, gaz naturel). Un tube ne peut pas être remplacé.

Entrée 3 fluides tubes

Noyau

Sortie fluide calandre

Cales

Couche de tubes

Entrée fluide calandre

Sortie 3 fluides tubes

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