Transfert de chaleur par plaques Pillow Plate

Quiconque tient une plaque Pillow Plate pour la première fois comprend immédiatement d’où vient son nom : deux tôles métalliques, soudées ensemble, entre lesquelles circule un fluide frigorigène ou un fluide caloporteur, se bombent vers l’extérieur pour former une structure tridimensionnelle ressemblant à un oreiller. Ce qui semble être un principe de conception simple est en réalité le résultat de plusieurs décennies de travaux de développement sur un élément de transfert de chaleur qui remplace aujourd’hui les systèmes à faisceaux de tubes et à serpentins dans l’agroalimentaire, l’industrie pharmaceutique, l’industrie chimique et la réfrigération industrielle, partout où l’efficacité, la facilité de nettoyage, la flexibilité et la durabilité sont des critères essentiels.

Cet article explique comment les plaques Pillow Plate sont fabriquées, comment elles sont conçues, quelles configurations conviennent à quelles applications, et dans quels domaines elles offrent des avantages concrets par rapport aux technologies d’échangeurs de chaleur conventionnelles dans la pratique industrielle. La page produit de HTT AG fournit un aperçu technique. Cet article aborde le contexte : la physique, les principes de conception et une base solide pour la prise de décision destinée aux concepteurs et aux exploitants d'installations.

Une plaque Pillow Plate se compose de deux fines tôles métalliques soudées ensemble selon un motif défini. Après soudage, l’espace entre les deux tôles est mis sous pression, ce qui provoque un bombement des tôles vers l’extérieur au niveau des points de soudure. Il en résulte un réseau de canaux dans lesquels circule le fluide caloporteur, ainsi qu’une surface extérieure à structure tridimensionnelle qui est active du côté du produit ou du procédé.

La différence de conception par rapport aux autres échangeurs de chaleur se résume à trois caractéristiques :

Flexibilité géométrique. La plaque Pillow Plate n’est pas un produit standard aux dimensions fixes. La longueur, la largeur, l’épaisseur de paroi, le motif de soudure et le tracé des canaux sont tous conçus sur mesure pour l’application spécifique. HTT AG utilise des systèmes de soudage laser à commande numérique (CNC) qui transposent directement toute géométrie issue du plan de conception en production. Cela permet de fabriquer des plaques Pillow Plate sous forme de rectangles, de segments, de cylindres, de formes coniques ou de géométries sur mesure pour des récipients non standard.

Utilisation en tant qu’élément structurel. Les plaques Pillow Plate peuvent être utilisées non seulement comme échangeurs de chaleur suspendus, mais aussi comme éléments structurels et comme paroi de l’appareil elle-même. Une plaque Pillow Plate à gaufrage simple peut servir à la fois d’élément structurel et d’enveloppe de cuve, remplissant simultanément les fonctions d’échangeur de chaleur, d’élément structurel et de paroi de cuve. Cela évite d’avoir recours à un échangeur de chaleur séparé et réduit considérablement l’espace nécessaire.

Comportement avec des fluides difficiles. La structure ouverte, semblable à des canaux, du côté process ne présente aucun interstice étroit où des dépôts pourraient s’accumuler. Les fluides contenant des particules, les produits très visqueux et les fluides contenant des solides peuvent être refroidis ou chauffés sans risque d’obstruction ni de perte de charge excessive. C’est ce qui distingue les plaques Pillow Plate des échangeurs de chaleur à plaques dotés de canaux étroits et profilés.

La distinction fondamentale entre les plaques Pillow Plate réside dans les versions à simple gaufrage et à double gaufrage. Les deux fonctionnent selon le même principe, mais sont conçues pour des applications différentes.

La plaque Pillow Plate avec rainures simples

Dans la version à simple gaufrage, une plaque est plate et l’autre est gaufrée. Le côté plat repose contre la paroi de la cuve et forme un élément structurel ou une chemise de cuve. Le fluide caloporteur s’écoule à travers les canaux en forme d’oreiller situés entre la paroi plate et la plaque gaufrée.

Applications typiques :

• Élément structurel : les plaques à simple gaufrage, qu’elles soient petites ou grandes, sont intégrées en tant qu’éléments structurels dans des installations de chauffage ou de refroidissement. Elles permettent de chauffer ou de refroidir efficacement une surface spécifique.
• Pillow plates – chemise pour réservoirs cylindriques ou rectangulaires. La perte de charge côté enveloppe est faible grâce aux canaux parallèles et plats, ce qui permet de faire circuler le fluide sur de grandes surfaces avec des pompes de faible puissance.
• Intégration dans les cuves : la plaque Pillow Plate est directement intégrée dans la paroi de la cuve. La cuve et l’échangeur de chaleur ne forment qu’une seule et même unité, ce qui élimine les coûts d’investissement et d’installation liés à un échangeur de chaleur séparé.
• Refroidissement des parois dans les chambres froides et les entrepôts : des plaques à simple gaufrage de grande surface sont installées comme panneaux muraux dans les entrepôts frigorifiques et les chambres froides. Elles refroidissent l’espace directement à travers la surface murale, sans refroidisseurs d’air ni les mouvements d’air qui en découlent.

La plaque Pillow Plate à double gaufrage

Dans la version à double gaufrage, les deux plaques sont gaufrées de manière symétrique l’une par rapport à l’autre. Cela permet d’obtenir une section transversale des canaux nettement plus grande, une turbulence plus importante dans le fluide caloporteur et, par conséquent, des coefficients de transfert thermique plus élevés.

Applications typiques :

• Élément structurel : les plaques à double gaufrage, qu'elles soient de petite ou de grande taille, sont intégrées en tant qu'éléments structurels dans des installations de chauffage ou de refroidissement. Elles permettent de chauffer ou de refroidir efficacement une surface spécifique.
• Échangeurs de chaleur autonomes : les plaques à double gaufrage sont installées en tant qu’échangeurs de chaleur suspendus à l’intérieur de réservoirs ou de cuves, soit empilées à un espacement défini, soit sous forme de panneaux individuels.
• Refroidissement à des densités de flux thermique élevées : partout où une grande quantité de chaleur doit être évacuée d’une petite surface, la version à double gaufrage offre des valeurs k plus élevées grâce à sa turbulence accrue.
• Applications gaz-liquide : une section transversale de canal plus importante est nécessaire lorsqu’une évaporation partielle se produit du côté du fluide caloporteur (par exemple, lorsque le NH₃ est utilisé directement comme réfrigérant).

Le coefficient de transfert thermique d’un échangeur de chaleur dépend de manière déterminante de la vitesse d’écoulement et de la turbulence du fluide au niveau de la surface de transfert. Dans les tuyaux lisses ou les canaux plats, une couche limite laminaire se forme près de la paroi, ce qui entrave le transfert de chaleur.

La surface gaufrée en trois dimensions d’une plaque Pillow Plate perturbe en permanence cette couche limite. Le fluide est redirigé à plusieurs reprises, et des tourbillons se forment même à de faibles vitesses d’écoulement et avec des fluides très visqueux. C’est pourquoi les plaques Pillow Plate permettent un transfert de chaleur turbulent même à de faibles nombres de Reynolds, dans des régimes d’écoulement où les échangeurs de chaleur conventionnels restent laminaires.

Concrètement : le coefficient global de transfert thermique (valeur k) d’une plaque Pillow Plate à double gaufrage en fonctionnement liquide-liquide est généralement supérieur à celui de systèmes à serpentins comparables de taille similaire. À valeur k équivalente, la surface de transfert requise est plus petite, ce qui permet d’obtenir une unité plus compacte.

HTT AG calcule les valeurs k, les pertes de charge et les surfaces de transfert en fonction des paramètres réels du procédé : débits massiques, températures d’entrée et de sortie des deux côtés, ainsi que les viscosités, les conductivités thermiques et les densités des fluides concernés. Il en résulte une conception adaptée au procédé, et non une conception standard comportant des marges de sécurité superposées les unes aux autres.

Le matériau standard utilisé pour les plaques Pillow Plate dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique est l’acier inoxydable 1.4301 (AISI 304) ou 1.4404 (AISI 316L). Ce dernier offre une meilleure résistance à la corrosion par les chlorures grâce à sa teneur en molybdène, ce qui est pertinent lorsque de l’eau de mer est utilisée comme fluide de refroidissement ou lorsque des agents de nettoyage contenant des chlorures sont utilisés.

Pour les fluides plus agressifs ou les exigences de pureté plus élevées (comme dans la production pharmaceutique), on utilise des alliages spéciaux. L’acier au carbone est utilisé lorsque les exigences de qualité alimentaire ne s’appliquent pas et que la résistance mécanique supérieure ou le coût réduit du matériau constituent le facteur déterminant.

En ce qui concerne la pression nominale : dans la conception de HTT AG, les plaques Pillow Plate résistent à des pressions allant jusqu’à 50 bars du côté du fluide caloporteur, et à des pressions plus élevées dans des modèles spéciaux. Du côté du processus (à l’extérieur de l’enveloppe), la charge de pression est généralement bien inférieure. Les plaques Pillow Plate conviennent donc à des applications qui nécessiteraient autrement une construction sur mesure résistante à la pression dans un échangeur de chaleur conventionnel.

La construction entièrement soudée en acier inoxydable ne comporte aucun joint d’étanchéité du côté en contact avec le produit. Il s’agit là d’un avantage hygiénique significatif : les joints d’étanchéité constituent une source potentielle de contamination et doivent être remplacés régulièrement. Avec les plaques Pillow Plate, cette charge d’entretien disparaît entièrement.

L’industrie agroalimentaire est aujourd’hui le principal domaine d’application des plaques Pillow Plate. Cela s’explique par la combinaison d’une conception hygiénique, d’une facilité de nettoyage, d’une flexibilité géométrique et de la capacité à maintenir de manière fiable des températures proches de 0 °C.

Refroidissement du lait et transformation laitière

Dans les cuves à lait, des plaques Pillow Plate à double gaufrage sont installées directement autour de la cuve sous la forme d’une chemise pour réservoirs. Du glycol ou un fluide frigorigène circule directement dans cette enveloppe et maintient le lait à la température de refroidissement. La faible perte de charge dans l’enveloppe permet d’utiliser des enveloppes de grande surface avec de petites pompes de circulation. Avec l’expansion directe, l’ammoniac peut être utilisé comme fluide frigorigène, car la construction entièrement soudée exclut tout risque de fuite côté produit.

Refroidissement de la pâte dans la production de produits de boulangerie

Le pétrissage de la pâte génère une chaleur de frottement qui augmente la température de la pâte et peut déclencher une fermentation incontrôlée de la levure. Les échangeurs de chaleur à plaques Pillow Plate refroidissent l’eau de process à des températures proches de 0 °C ; celle-ci est ensuite acheminée vers le malaxeur en tant que fluide de refroidissement. Des plaques Pillow Plate à simple gaufrage, adaptées à la forme de la cuve, peuvent également être intégrées directement dans la cuve de malaxage elle-même.

Transformation du poisson et des fruits de mer

Les usines de transformation du poisson refroidissent l’eau de process, les matières en vrac et les cuves à des températures comprises entre 0 et 2 °C. Les plaques Pillow Plate, utilisées comme éléments structurels ou chemises de cuves dans les tunnels de process ou les cuves, maintiennent ces températures avec précision tout en restant faciles à nettoyer. La surface ouverte et lisse en acier inoxydable répond aux exigences de conception hygiénique applicables aux surfaces en contact avec les aliments dans l’industrie de la pêche.

Industrie des boissons et brasserie

Les cuves de fermentation et de stockage des brasseries sont refroidies et leur température est régulée à l’aide de chemises à plaques Pillow Plate. Un contrôle précis de la température est essentiel à la qualité du processus de fermentation. Étant donné que les brasseries exploitent souvent plusieurs centaines de cuves, la faible perte de charge de la chemise à plaques Pillow Plate a un impact direct sur les coûts de pompage de l’ensemble de l’exploitation.

Industrie chimique et pharmaceutique

Dans l’industrie chimique, les plaques Pillow Plate évacuent la chaleur de réaction issue des processus exothermiques, condensent les distillats ou amènent les produits à une température définie après synthèse. Elles continuent de fonctionner de manière fiable même en présence de fluides contaminés, de vapeurs ou de flux chargés de particules, sans risque d’obstruction. Dans la production pharmaceutique, les exigences en matière de nettoyage sont particulièrement strictes : la construction entièrement soudée et sans joint, en acier inoxydable de haute qualité, est conçue pour le CIP (nettoyage en place) et le SIP (stérilisation en place).

Une application encore sous-estimée dans la pratique de la conception : l’utilisation des plaques Pillow Plate pour récupérer la chaleur des flux contaminés. Les eaux usées, la chaleur résiduelle des procédés et les flux de condensats contiennent une énergie récupérable qui ne peut être captée efficacement avec des échangeurs de chaleur conventionnels en raison du risque d’obstruction.

Les échangeurs de chaleur à plaques Pillow Plate, dont les sections transversales extérieures ne sont pas obstruées, peuvent traiter ces flux, transférant ainsi la chaleur vers des fluides caloporteurs et permettant ainsi d’économiser de l’énergie primaire. Dans l’industrie de la pâte à papier et du papier, le traitement de la biomasse et les grandes blanchisseries industrielles, des systèmes HTT AG sont déjà utilisés pour récupérer la chaleur des eaux usées à plus de 30 °C, ce qui permet de réduire de manière avérée les coûts de chauffage.

Dans de nombreux procédés de production, la charge thermique fluctue considérablement au cours d’une journée d’exploitation. Les opérations par lots dans l’industrie chimique, les volumes de remplissage variables dans la production alimentaire ou les pics saisonniers dans l’industrie des boissons créent tous des situations où un échangeur de chaleur doit fonctionner bien au-delà de son point de conception nominal pendant quelques heures d’affilée.

Les systèmes à plaques Pillow Plate peuvent être conçus pour amortir ces fluctuations. Les plaques Pillow Plate en double relief, utilisées comme éléments suspendus ou dans des cuves, peuvent exploiter la masse thermique de la cuve elle-même comme accumulateur thermique : la masse de produit dans le processus de production ou dans la cuve est maintenue à une température cible, et les plaques Pillow Plate fournissent une capacité supérieure lors des pics de demande par rapport à ce que prévoit la conception en fonctionnement continu.

Cette caractéristique rend les plaques Pillow Plate particulièrement intéressantes en combinaison avec des réservoirs de stockage de glace ou des refroidisseurs également conçus pour un fonctionnement tamponné. Le réservoir de stockage de glace fournit de l’eau à une température comprise entre 0,5 °C et 1 °C à la demande ; les plaques Pillow Plate transfèrent ce refroidissement avec précision au fluide de process, et le groupe frigorifique fonctionne à une charge partielle stable et efficace plutôt qu’à une charge pleine fluctuante. Cela réduit la consommation d’énergie, protège le système de réfrigération et améliore la contrôlabilité de l’ensemble du système.

Lors de la conception de ce type de fonctionnement combiné, HTT AG prend en compte à la fois la puissance instantanée des plaques Pillow Plate et la capacité de stockage du réservoir. Partagez avec nous vos profils de charge et vos données de production, et nous vous proposerons une conception qui harmonise le fonctionnement des deux composants.

Une plaque Pillow Plate ne se choisit pas dans un catalogue, elle est calculée. Les données d’entrée nécessaires à une conception fiable sont les suivantes :

Côté process :

• Fluide (liquide, gaz, vapeur, suspension)
• Débit volumétrique ou massique
• Température d'entrée et température de sortie requise
• Viscosité, conductivité thermique, densité, capacité thermique spécifique
• Perte de charge admissible

Côté fluide caloporteur :

• Fluide (glycol, eau, NH₃, CO₂, vapeur)
• Débit disponible
• Température d'entrée
• Pression de service admissible

Contraintes structurelles :

• Géométrie de la cuve (diamètre, hauteur, forme)
• Surface de montage disponible
• Conditions d'installation (enveloppe de cuve, échangeur intégré, autonome)
• Exigences relatives aux matériaux (nuance d’acier inoxydable, épaisseur de paroi)

À partir de ces paramètres, HTT AG calcule la valeur k, la surface de transfert requise et la perte de charge des deux côtés, puis définit la géométrie des canaux de la plaque Pillow Plate. Le résultat est un plan et une fiche technique répertoriant tous les paramètres de conception, qui servent ensuite de base à la commande.

Nous vous indiquerons si la plaque Pillow Plate est le choix adapté à votre procédé et, le cas échéant, avec quelle géométrie et quel matériau. Communiquez-nous les paramètres de votre procédé.

Le choix entre les plaques Pillow Plate et les technologies d’échangeurs de chaleur conventionnelles se résume à trois questions fondamentales :

1. Quel est le degré de difficulté du fluide ?

Les échangeurs de chaleur à plaques et les faisceaux de tubes s’encrassent avec des fluides chargés de particules ou très visqueux. Ce n’est pas le cas des plaques Pillow Plate. Si le fluide côté procédé contient des solides, présente une viscosité élevée ou a tendance à s’encrasser, l’échangeur à plaques Pillow Plate constitue le choix le plus fiable.

2. Quelles sont les exigences en matière de nettoyage ?

Dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique, chaque surface de transfert thermique doit être compatible avec le nettoyage en place (CIP). Les faisceaux tubulaires comportent des tubes étroits difficiles à nettoyer. Les plaques Pillow Plate présentent des surfaces extérieures lisses et accessibles, ainsi qu’une conception sans joint du côté process.

3. L’échangeur de chaleur doit-il s’intégrer à la conception d’une cuve existante ?

Les plaques Pillow Plate peuvent être mises en œuvre sous forme de chemise de cuve, de panneau de plafond intégré, de remplacement de serpentin ou d’unité autonome. Les faisceaux tubulaires sont des unités autonomes qui nécessitent de l’espace au sol et des raccordements de tuyauterie. Partout où la cuve et l’échangeur de chaleur doivent former une seule et même unité, la plaque Pillow Plate est la seule alternative flexible.