Intégration des échangeurs thermiques à plaques aux systèmes de refroidissement des moteurs

Les systèmes de refroidissement des moteurs marins constituent le cœur et l’âme des systèmes de propulsion et de production d’énergie à bord d’un navire. À une époque marquée par des densités de puissance sans cesse croissantes et un agenda environnemental plus strict en matière d’émissions, l’importance et la complexité liées à la gestion thermique des moteurs se sont accrues. L’usage généralisé des échangeurs de chaleur à plaques (PHE), choisis comme solution optimale pour le refroidissement des moteurs en raison de leur efficacité d’échange thermique et de leur encombrement réduit, ainsi que la nécessité de coupler avec précision toutes les propriétés hydrauliques, matérielles et opérationnelles du système afin d’en assurer une longévité accrue, sont aujourd’hui des pratiques standard.

Pourquoi des échangeurs de chaleur à plaques pour les moteurs marins ?

Par rapport à un échangeur traditionnel à tubes et calandre, un échangeur à plaques transfère jusqu’à cinq fois plus de chaleur grâce à la turbulence induite par les plaques ondulées. L’efficacité de l’échangeur à plaques (PHE) se traduit directement par des dimensions et un poids nettement réduits, un critère essentiel pour les moteurs marins soumis à des contraintes d’espace. Grâce à leur conception modulaire, des plaques supplémentaires peuvent facilement être ajoutées si un transfert thermique accru est requis, en raison des variations de charge sur le moteur ou des exigences du système de refroidissement. La faible différence de température entre les fluides dans les échangeurs à plaques permet un refroidissement plus efficace de l’eau de chemise et de l’huile de lubrification, optimisant ainsi les performances et la durabilité du système de combustion du moteur.

Principaux points d’intégration dans la boucle de refroidissement

Les moteurs marins possèdent un système de refroidissement à deux circuits, composé d’un circuit à haute température en eau douce qui refroidit le bloc moteur, et d’un circuit à basse température en eau de mer qui évacue la chaleur transférée depuis l’eau douce dans un refroidisseur central. Les échangeurs thermiques à plaques peuvent remplir deux fonctions dans ce système : soit comme refroidisseur principal de l’eau de chemise du moteur, soit comme refroidisseur de l’huile lubrifiante. En tant que refroidisseur principal de l’eau de chemise du moteur, l’échangeur thermique à plaques (PHE) transfère la chaleur depuis le circuit en eau douce vers l’eau de mer et maintient la température de l’eau de chemise dans la plage opérationnelle de 75 °C à 85 °C.

Le PHE, utilisé comme refroidisseur d’huile lubrifiante, régule la température de l’huile lubrifiante à une valeur égale ou inférieure à une température spécifiée afin de conserver la viscosité appropriée.

En plus de refroidir l’eau de chemise et l’huile de lubrification, les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) servent également à refroidir l’air de suralimentation du turbocompresseur dans un circuit similaire, afin d’augmenter la densité de l’air entrant dans le moteur et, par conséquent, d’améliorer le rendement de la combustion. Chacune de ces applications présente des pressions, des températures et des caractéristiques d’encrassement différentes, ce qui détermine les dimensions du système.

Considérations relatives aux matériaux et à la conception pour service maritime

En raison de l’environnement corrosif de l’eau de mer dans une application marine, la sélection rigoureuse des matériaux de plaques appropriés est essentielle. Le titane offre la meilleure protection contre la corrosion par piqûres, la corrosion sous dépôt et la corrosion galvanique induites par les chlorures, typiques d’un flux d’eau de mer chaude et chlorée. L’acier inoxydable 316L peut souvent être spécifié du côté eau douce du PHE à un coût nettement inférieur, tout en assurant une bonne résistance à la corrosion. Pour des flux d’eau douce plus corrosifs ou des huiles lubrifiantes, l’alliage 254 ou l’acier duplex peuvent être spécifiés afin d’obtenir une résistance mécanique et une résistance à la corrosion accrues. Le choix du matériau des joints doit également tenir compte de facteurs combinés tels que les cycles de température, la composition chimique du fluide et l’effet du fluage sous compression.

Les matériaux couramment sélectionnés pour les échangeurs de chaleur à plaques (PHE) sont le nitrile, l’EPDM et le FKM (Viton), chacun présentant des plages de température de fonctionnement différentes ainsi qu’une résistance variable aux chimies spécifiques des fluides. Il convient de noter que la chute de pression à travers un PHE doit être limitée à environ 1–2 bar pour les deux circuits afin d’éviter une surcharge des pompes ou des conditions de faible débit.

Hydraulique du système et bonnes pratiques d’installation

L’utilisation correcte du jeu de plaques d’un PHE va plus loin. L’hydraulique et la conception du système ont des répercussions importantes sur le fonctionnement adéquat de l’échangeur de chaleur. Celui-ci doit être conçu de manière à réduire la longueur des canalisations et à permettre un accès facile au faisceau de plaques pour l’entretien. L’orientation et le positionnement optimaux du PHE doivent minimiser la longueur des canalisations et faciliter l’accès pour le nettoyage du faisceau de plaques, car un PHE doit être vidangé afin de permettre le retrait du faisceau.

La pratique standard exige le positionnement vertical de l’échangeur de chaleur à plaques (PHE) afin d’assurer un écoulement correct des fluides dans les deux circuits et l’évacuation de l’air piégé. Des filtres doivent être installés dans les deux circuits fluides, juste avant l’entrée du PHE, pour protéger les plaques et le système de joints contre les contaminants et les dommages. Les températures et les pressions doivent être surveillées sur les deux circuits à l’aide de manomètres et de thermomètres correctement placés, et l’expansion thermique des deux circuits fluides doit être prise en compte, soit par des boucles d’expansion, soit par des raccords flexibles, afin d’éviter toute contrainte excessive sur les boulons de fixation du PHE. Pour les navires équipés de plusieurs moteurs et de leurs PHE associés, des vannes doivent être prévues afin de permettre l’isolement et la maintenance d’un PHE sans interrompre le fonctionnement du navire.

Surveillance des performances et intégration de la maintenance

L’intégration systémique d’un échangeur de chaleur à plaques (PHE) n’est pas une opération « installé et oublié », mais nécessite un suivi continu des paramètres de fonctionnement du PHE afin de garantir qu’il opère à son rendement prévu. Les indicateurs d’alerte comprennent des écarts importants par rapport aux consignes souhaitées concernant la température du fluide en sortie, une augmentation de la perte de charge dans l’un ou l’autre des circuits, ainsi que le suivi du débit d’eau de mer infiltrée dans le circuit d’eau douce. Si une dégradation des performances est constatée, un nettoyage chimique du PHE permet de restaurer son rendement initial de transfert thermique en cas d’encrassement organique, tandis qu’un lavage à haute pression et haute température peut être utilisé pour éliminer les dépôts calcaires. En intégrant une planification de la maintenance préventive, synchronisée avec les périodes d’entretien du moteur, on réduit le temps d’arrêt non planifié et on augmente la durée de vie effective des plaques et des joints.

Conclusion

Choisir d’intégrer des échangeurs thermiques à plaques dans vos moteurs marins offre des conditions optimales, garantissant le meilleur transfert de chaleur dans les plus petits espaces, tout en assurant une flexibilité exceptionnelle en termes de capacité. Le groupe SME est actif dans le domaine de l’ingénierie maritime depuis plus de vingt ans et bénéficie d’un système qualité certifié ISO pour l’ensemble de ses systèmes de refroidissement, ce qui garantit une gestion rigoureuse, y compris lors des rétrofits. En outre, une installation de 5 000 m², dotée d’une centaine d’ingénieurs et de techniciens, permet à SME de mener à bien tous vos projets marins sous la devise « Beyond Concern », afin de vous accompagner et de servir chaque année environ mille navires avec des systèmes et des pièces détachées d’origine. Le groupe SME est le partenaire idéal pour optimiser à la fois les performances et la durée de vie de vos systèmes de refroidissement de moteurs marins ; n’hésitez pas à nous contacter pour discuter des détails de vos prochains projets, ce qui nous permettra de vous fournir un devis pour un système de refroidissement maritime.