Échangeurs de chaleur à circuits imprimés collés par diffusion pour environnements sévères

Les échangeurs de chaleur à circuits imprimés compacts surpassent les alternatives dans les environnements extrêmes.

Les échangeurs de chaleur traditionnels à plaques ou à calandre et tubes sont utilisés depuis longtemps dans les industries de transformation. Aujourd'hui, cependant, avec de nombreuses nouvelles applications impliquant des pressions et des températures élevées et une exposition à des environnements corrosifs, de plus en plus de fabricants se tournent vers les échangeurs thermiques à circuits imprimés (PCHE) compacts.

Un PCHE est un échangeur de chaleur multicouche constitué de plaques métalliques minces et plates dans lesquelles des microcanaux d'écoulement de fluide sont chimiquement gravés dans chaque couche pour former un modèle d'écoulement complexe. Les couches sont ensuite liées par diffusion pour créer un échangeur de chaleur dense doté de propriétés supérieures de circulation d'air et de transfert de chaleur.

Lorsqu'il est conçu de cette façon, un échangeur de chaleur peut être jusqu'à 85 % plus petit et plus léger que les conceptions traditionnelles à plaques ou à calandre et tubes. De plus, les PCHE ne nécessitent pas de tuyauterie, de cadres ou d'autres éléments structurels associés excessifs, ce qui réduit encore les coûts.

« Un PCHE lié par diffusion de haute qualité peut résister à des pressions très élevées de plusieurs centaines de bars et à des températures extrêmes au-delà de 800°C. En conséquence, les PCHE sont bien adaptés à un large éventail d'applications exigeantes, notamment le pétrole et le gaz, les stations-service pour véhicules à hydrogène et l'aérospatiale », a déclaré le Dr Udo Broich, directeur général de PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Wettenberg, Allemagne.

Le Dr Broich, qui a rédigé sa thèse de doctorat sur la technologie d'assemblage, se concentre depuis 25 ans sur le brasage sous vide et le collage par diffusion. PVA TePla AG est un fabricant mondial de fours industriels et de systèmes de nitruration PulsPlasma.

Depuis de nombreuses années, le collage par diffusion est utilisé pour assembler des métaux à haute résistance et réfractaires qui sont soit difficiles, soit impossibles par d'autres moyens. Le processus consiste à appliquer une température et une pression élevées sur la partie à coller dans une presse chaude sous vide poussé comme celles proposées par PVA TePla ; cela provoque l'intercalation et la jonction des atomes sur les surfaces métalliques solides.

La pièce finale aura peu ou pas de lignes ou de stries d'interface si les matériaux sont similaires ; l'interface d'un matériau se fond dans l'autre, et vice versa. Le même résultat peut également être obtenu avec des matériaux différents avec l’équipement, la préparation des matériaux et le processus appropriés.

La clé du processus consiste à utiliser le collage par diffusion pour joindre les couches plutôt que d'autres alternatives, telles que le brasage sous vide. Bien que le brasage soit largement utilisé pour assembler des métaux dans des conditions normales, il peut s’avérer insuffisant dans des situations de température, de pression ou de corrosion élevées.

Le brasage est un processus d'assemblage dans lequel deux ou plusieurs éléments métalliques sont assemblés en fondant et en faisant couler un métal d'apport dans le joint. Le métal d’apport s’écoule dans l’espace entre les couches par capillarité.

Avec un choix approprié de matériaux d’apport et de paramètres de processus, le brasage peut également créer des joints à haute résistance et résistants à la chaleur. Cependant, comme le métal d'apport a toujours une composition chimique différente de celle des matériaux de la pièce de liaison, les propriétés des composants brasés ne peuvent généralement pas atteindre celles d'une pièce solide, selon le Dr Broich.

« Dans le cas du brasage d'un PCHE, les ingénieurs doivent considérer un autre problème : lors du brasage, le métal d'apport fondu peut pénétrer dans les microcanaux et se solidifier, bloquant les canaux nécessaires à la circulation de l'air. Cela peut rendre le PCHE très inefficace », a déclaré le Dr Broich. "Étant donné que le collage par diffusion ne nécessite aucun métal d'apport et qu'il s'agit d'un processus d'assemblage à l'état solide, les microcanaux restent intacts."

« Lorsque les couches d'un PCHE sont liées par diffusion, le produit final conserve les propriétés mécaniques, chimiques et thermiques du matériau d'origine. Compte tenu de la résistance élevée et de l’intégrité du matériau, les PCHE peuvent résister à des conditions opérationnelles très sévères », a expliqué le Dr Broich.

Un avantage significatif des PCHE liés par diffusion est qu’ils réduisent considérablement la taille de l’échangeur de chaleur.

« Les PCHE ont environ 85 % de masse et de volume en moins par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels, tandis que les microcanaux offrent une grande surface d'échange thermique », a déclaré le Dr Broich. « Atteindre le même taux de transfert de chaleur avec une conception standard [d'échangeur de chaleur à plaques ou à calandre et à tubes] nécessite beaucoup plus de masse et de volume."