Comme de nombreux concepteurs et ingénieurs l'ont appris lors de leurs études, la chaleur se propage naturellement des zones de haute température vers les zones de basse température. Un transfert de chaleur efficace est possible lorsque les matériaux et les dispositifs sont agencés de manière à permettre ou à optimiser ce flux thermique.
Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs permettant un transfert de chaleur contrôlé entre deux fluides à températures différentes. Ils utilisent des surfaces conductrices de chaleur pour transférer la chaleur d'un milieu plus chaud vers un milieu plus froid, sans que les fluides ne se mélangent.
Les échangeurs de chaleur à plaques sont un type d'échangeur très courant et représentent sans doute l'application la plus pertinente de la technologie de brasage. Leurs applications sont variées : automobiles, équipements de CVC, technologies énergétiques, robinetterie d'eau potable, etc. Les avantages et les performances des échangeurs de chaleur à plaques brasés sont présentés. produits ne peut être dissocié de la qualité du brasage.
Structure et principe d'un échangeur de chaleur à plaques
Structure de base
Un échangeur de chaleur à plaques est constitué d'une série de fines plaques métalliques profilées, empilées en alternance. Chaque plaque est munie de rainures ou de chevrons qui, une fois empilées, créent un circuit d'écoulement sinueux. Les fluides chaud et froid circulent alors dans des conduits parallèles, séparés uniquement par les fines parois des plaques, ce qui permet un transfert de chaleur très efficace.
Du point de vue de la fabrication, ce matériau laminé possède les propriétés d'un “ livre métallique ”. Les plaques représentent les pages, et les zones brasées représentent l'adhésif invisible mais très résistant qui maintient toutes les pages ensemble pour former un bloc solide.
Sans brasage, il serait impossible de maintenir l'intégrité structurelle en conditions d'exploitation.
Choix des matériaux
Le choix des matériaux pour les échangeurs de chaleur à plaques brasées varie fortement selon les environnements d'application :
Applications des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable :
Applications dans les secteurs de la plomberie civile, de l'agroalimentaire et du génie chimique : les aciers inoxydables austénitiques, tels que le 1.4401 (AISI 316) ou le 1.4301 (AISI 304), sont les plus courants. Ces alliages offrent une bonne résistance à la corrosion et une résistance mécanique élevée, une bonne soudabilité et des caractéristiques sanitaires satisfaisantes. La formation d'un film d'oxyde stable en surface prévient la corrosion par piqûres localisée, la fissuration par corrosion sous contrainte et la corrosion caverneuse.
Applications des échangeurs de chaleur à plaques en aluminium
Radiateurs automobiles et refroidisseurs d'air de suralimentation, refroidisseurs d'huile, unités de climatisation compactes : les tôles brasées en aluminium, composées d'âmes en alliage AA3003 revêtues de couches d'apport Al-Si, sont largement utilisées. La faible densité et la conductivité thermique de l'aluminium permettent la conception d'échangeurs de chaleur légers et compacts.
Procédés de brasage utilisés dans les échangeurs de chaleur à plaques
Brasage sous vide des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable
Dans la production d'échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable, le brasage est généralement réalisé à 1050–1150 °C dans des fours industriels sous vide. Deux processus se déroulent simultanément lors de cette étape consolidée :
Brasage pur : Fusion du métal d'apport (généralement des alliages à base de nickel ou de cuivre) pour former des soudures capillaires entre les plaques.
Recuit de mise en solution de l'acier inoxydable : Le chauffage de l'acier inoxydable à des températures de brasage typiques (1050–1150 °C), qui sont bien supérieures à la plage de recuit de mise en solution, permet la dissolution des carbures de chrome formés pendant le chauffage, restaurant ainsi la pleine résistance à la corrosion du matériau lors d'un refroidissement rapide.
Avantages du brasage sous vide des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable :
- Surfaces sans flux et sans oxyde
- Joints visiblement propres, adaptés aux applications d'eau potable et alimentaires
- Résistance maximale des joints et résistance à la corrosion
La technologie des fours industriels pour les échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable est axée sur une température stable et uniforme, ainsi que sur une production et une consommation précises de l'atmosphère. Le brasage simultané de nombreux empilements de fines plaques métalliques pose des défis importants en matière de répartition de la chaleur au sein de la charge.
L'auteur connaît bien le matériel qui pourrait intéresser les lecteurs dont le fournisseur propose des fours de brasage sous vide industriels pour la production d'échangeurs de chaleur. N'hésitez pas à nous indiquer tout matériel que vous pourriez connaître ; nous l'ajouterons à la liste.
Brasage sous atmosphère contrôlée des échangeurs de chaleur à plaques en aluminium
Le brasage sous atmosphère contrôlée (BAC) est aujourd'hui la méthode d'assemblage prédominante pour les échangeurs de chaleur à plaques en aluminium. Il consiste en :
- Commencez par des plaques à âme en aluminium avec une couche de remplissage Al-Si déjà appliquée en surface.
- Ensemble de chauffage à environ 600 °C dans un four rempli de gaz azote.
- Fusion et écoulement de la couche de revêtement pour former des joints brasés tandis que le matériau du noyau reste solide.
Les avantages du CAB comprennent :
- Débit de production élevé
- Des articulations constamment répétables
- Convient aux configurations de fours à bande continue
Le défi posé par le CAB est de maintenir une température uniforme au sein du cœur de l'échangeur de chaleur à plaques. Tout point froid ou chaud entraînera des défauts.
Application et innovation des métaux d'apport
Types de métaux d'apport
Les systèmes de métal d'apport les plus couramment utilisés en brasage PHE sont :
Alliages à base de nickel (série BNi) :
Ces matériaux sont principalement utilisés pour le brasage des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable, notamment dans les applications de traitement de l'eau potable et de chimie. Ils offrent une résistance élevée, une bonne résistance à la corrosion et d'excellentes propriétés de mouillage.
Alliages à base de cuivre (série BCu) :
Ces matériaux sont utilisés dans certains échangeurs de chaleur industriels, mais sont moins recommandés pour les applications d'eau potable en raison du risque de corrosion et de lixiviation d'ions.
Alliages de remplissage Al-Si :
Ces couches sont intégrées sous forme de revêtements dans des feuilles de brasage en aluminium pour les applications CAB.
Méthodes de pré-placement
Afin d'assurer une répartition uniforme des métaux d'apport sur les grandes surfaces ondulées des plaques, les méthodes avancées suivantes sont employées :
Feuilles amorphes (BNi-5b / MBF-51) :
De fines feuilles métalliques sont placées entre les plaques, permettant un assemblage automatisé et garantissant des joints propres et sans résidus. L'épaisseur uniforme de ces feuilles assure des jeux de joint réguliers et une qualité de brasage optimale.
Sérigraphie :
La pâte de poudre métallique d'apport est déposée par impression sur les surfaces de la plaque à l'aide d'une grille. Cette technique permet un contrôle précis de la quantité et de l'emplacement du métal d'apport.
Méthode du ruban adhésif enroulé :
Les poudres métalliques d'apport sont incorporées dans des rubans adhésifs et appliquées sur les zones de jointure, ce qui facilite la manipulation et le positionnement lors de l'assemblage.
Ces techniques sont essentielles dans la production à grande échelle, où la qualité des joints a un impact direct sur la résistance à la pression et la fiabilité des joints assemblés.
Principaux domaines d'application des échangeurs de chaleur à plaques brasées
Refroidissement des gaz d'échappement automobiles
L'un des domaines d'application les plus répandus pour les échangeurs de chaleur à plaques brasés. On les retrouve notamment dans les applications suivantes :
- refroidisseurs EGR
- refroidisseurs d'huile moteur
- refroidisseurs d'huile de transmission
- systèmes de gestion thermique DPF
Les échangeurs de chaleur à plaques, qu'ils soient en aluminium ou en acier inoxydable, doivent satisfaire à des exigences strictes d'étanchéité. Ils sont soumis à de fortes contraintes thermiques, à des vibrations et, dans certains cas, à l'exposition à des gaz d'échappement corrosifs.
Systèmes de chauffage/refroidissement pour le secteur civil et la restauration
Les échangeurs de chaleur à plaques brasés en acier inoxydable sont la norme industrielle dans des applications telles que :
- Systèmes de chauffage/refroidissement domestiques à eau chaude au glycol
- Boucles de chauffage/refroidissement central
- Systèmes de refroidissement/chauffage pour l'industrie agroalimentaire
Les métaux d'apport à base de nickel sont préférables à ceux contenant du cuivre lorsqu'ils sont en contact avec de l'eau potable oxygénée. Une corrosion agressive ou la rupture du film passif peuvent entraîner une corrosion par piqûres localisée ou une désintégration anodique des joints en cuivre. Les échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable, correctement brasés et passivés, présentent une résistance à la corrosion et des performances hygiéniques supérieures. Ils répondent aisément aux normes de santé et de sécurité.
Systèmes énergétiques et environnementaux
Les échangeurs de chaleur à plaques brasés sont de plus en plus utilisés dans les systèmes d'énergie propre à haut rendement, notamment :
- pompes à chaleur
- unités thermiques à pile à combustible
- systèmes de réfrigération au CO₂
- systèmes de récupération de chaleur résiduelle
Des couches d'isolation thermique sont nécessaires entre les plaques de l'échangeur de chaleur à plaques et le boîtier extérieur. Les échangeurs de chaleur à plaques brasées permettent de réaliser des échangeurs de chaleur compacts qui optimisent la résistance à la pression et offrent un excellent rendement thermique.
Défis techniques et simulation scientifique
Gestion des contraintes résiduelles pendant le brasage
Les échangeurs de chaleur à plaques assemblées sont composés de nombreuses feuilles de métal minces jointes sur leur pourtour. Cette conception est sensible à la déformation et à la génération de contraintes résiduelles irrégulières lors des cycles thermiques. Les défaillances courantes liées aux contraintes comprennent :
- Déformation de l'ensemble du PHE
- Fissures dans les joints brasés
- Rupture prématurée par fatigue en service
L'analyse par éléments finis (FEA) peut être utilisée pour modéliser :
- Répartition de la température pendant le cycle de brasage
- Génération de contraintes résiduelles dans les joints brasés
- Effets de l'épaisseur de la plaque, de la forme du profil et de la taille de l'espace de brasage sur les contraintes résiduelles
L'application d'une conception d'assemblage appropriée et de cycles de chauffage optimisés peut considérablement réduire la déformation de la plaque après brasage.
Uniformité de la température dans les fours de brasage
Du fait de la structure multicouche des échangeurs de chaleur à plaques, il est essentiel d'obtenir une température uniforme sur toute la largeur de la charge pour garantir la régularité du procédé. Une température trop basse entraîne une fusion incomplète du métal d'apport, tandis qu'une température trop élevée peut provoquer une déformation des plaques ou des joints fragiles. La modélisation zonale équivalente (EZ) est une méthode permettant de modéliser la distribution de température lors du chauffage transitoire.
Libération de nickel à partir d'échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable
Correctement passivées, les échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable ne libèrent pas de cuivre dans l'eau potable. Le nickel est un sous-produit de l'utilisation de joints en métal d'apport à base de nickel. Des chercheurs ont constaté que lorsque :
- L'écart est bien contrôlé lors de l'assemblage
- Le métal d'apport en nickel est réparti uniformément sur les surfaces de joint.
- Une couche d'oxyde passivant stable se forme sur les surfaces en acier inoxydable.
Les niveaux d'ions nickel resteront bien en dessous de la limite légale de l'UE de 20 µg/L.
Conclusion
La technologie du brasage permet aux fabricants de créer des assemblages étanches et résistants à la pression, composés de fines plaques métalliques. Il existe différentes méthodes de brasage des échangeurs de chaleur à plaques (PHE), qu'il s'agisse du brasage sous vide à haute température de l'acier inoxydable ou du brasage à chaud des noyaux en aluminium. L'intégrité de l'assemblage détermine la conductivité thermique, la pression nominale, la résistance à la corrosion et la durée de vie des échangeurs de chaleur à plaques brasées.
La science des matériaux, le développement des métaux d'apport, la conception des fours et la maîtrise des procédés influencent les performances d'un échangeur de chaleur fini. Les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont de plus en plus utilisés dans la gestion thermique automobile, les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation, les technologies d'énergies propres et le traitement de l'eau potable, car ils permettent un transfert de chaleur efficace et sûr entre deux fluides.
Le brasage est le liant solide qui assure la cohésion de chaque page. Il maintient les pages de la plaque ensemble, même sous pression et contraintes thermiques. Plus important encore, le brasage crée une couche protectrice continue qui laisse passer sans danger les polluants nocifs, les variations de température et l'eau potable.
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