Échangeur de chaleur

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Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique d'un fluide vers un autre, sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d'échange qui sépare les fluides.
La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement, par exemple l'eau d'un circuit primaire de refroidissement, d'une centrale nucléaire.

L'échangeur de chaleur le plus commun est celui à plaques.

Un échangeur de chaleur - dispositif dans lequel se réalise un transfert thermique entre deux milieux dû à une différence de température entre les milieux. Dans les maisons à très basse consommation énergétique ou à énergie positive, un système de ventilation à double flux peut intégrer un échangeur réchauffant l'air entrant avec l'énergie prélevée dans l'air sortant.

Transfert de chaleur[modifier | modifier le code]

Modes de transfert[modifier | modifier le code]

Croquis de principe figurant un échange de chaleur méthodique et anti-méthodique. Dans l'échange méthodique la température de sortie du fluide froid peut être plus élevée que celle du fluide chaud. Dans l'échange anti-méthodique ce n'est pas possible
  • À courant co-courant (on dit aussi: échangeur anti-méthodique): les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. Dans un échangeur anti-méthodique la température de sortie du fluide froid est nécessairement moins élevée que la température de sortie du fluide chaud.
  • À contre courant (on dit aussi: échangeur méthodique): idem, mais les courants vont dans des sens opposés. Dans un échangeur méthodique, par différence avec un échangeur anti-méthodique la température de sortie du fluide froid peut être plus élevée que la température de sortie du fluide chaud.
  • À courant croisé : les deux fluides sont positionnés perpendiculairement.
  • À tête d'épingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans un conduit plus large, que le deuxième fluide traverse. Cette configuration est comparable à un échangeur à courant parallèle sur la moitié de la longueur, et pour l'autre moitié à un échangeur à contre courant.
  • A contact direct ou à mélange : les deux fluides peuvent être mis en contact comme c'est le cas dans les tours de refroidissement, des buses projetant de l'eau chaude sont disposées sur les parois intérieures de la tour, l'air extérieur admis par le bas s'échauffe et du fait de son changement de densité monte de bas en haut, permettant ainsi de refroidir l'eau.
  • ...
  • Exemples :
    • Échangeur thermique par surface.
    • Échangeur thermique avec des fluides en contact direct.

Modélisation de l'échange thermique - Écart logarithmique de température[modifier | modifier le code]

Évolution des températures suivant l'échange thermique entre fluide chaud et fluide froid dans un échangeur méthodique

On s’intéresse à un échangeur entre un fluide chaud de température d'entrée dans l' échangeur.\; T_e \;.et de sortie .\; T_s \;. et un fluide froid de température d'entrée dans l'échangeur.\; t_e \;. et de sortie.\; t_s \;.  \left( \; t_s > t_e .\;et.\; T_e > T_s \;\right)

On distingue les cas où l'échange de chaleur est méthodique ou anti-méthodique. En outre, les fluides considérés ont des capacités thermiques différentes[Note 1].

Échelonnement des températures:

L'échange n'est possible que si le fluide cédant sa chaleur est plus chaud que le fluide réchauffé:.\; T_e > t_e \qquad. Le fluide chaud se refroidit, donc .\; T_e > T_s \qquad.T_e - T_s > 0 \;.

Le fluide froid se réchauffe, donc .\; t_s > t_e \qquad. t_s - t_e > 0 \;.

En additionnant les deux inégalités: .\ T_e - T_s + t_s - t_e > 0 \;.d'où .\ T_e  - t_e > T_s - t_s \;.

Dans le cas d'un échange anti-méthodique on a en outre .\; T_s > t_s \qquad.et donc .\; T_e > T_s > t_s > t_e \;.

Écart de température logarithmique:

On appelle écart de température logarithmique d'un échangeur la quantité, notée .\quad \Delta T Log \quad. mesurée en °C :

  • Si l'échangeur est anti-méthodique (i.e. à co-courant):\qquad \Delta T Log = { (T_e - t_e) - (T_s - t_s) \over ln\left( { T_e - t_e  \over T_s - t_s } \right) }  \qquad.
  • Si l'échangeur est méthodique (i.e. à contre courant):\qquad \Delta T Log = { (T_e - t_s) - (T_s - t_e) \over ln\left( { T_e - t_s  \over T_s - t_e } \right) }  \qquad.
  • avec;


Évolution des températures suivant l'échange thermique entre fluide chaud et fluide froid dans un échangeur anti-méthodique

Puissance thermique échangée:

La puissance thermique échangée prend la forme:

.\qquad W = h * S_e * \Delta T Log \qquad.
  • avec;
    • .\; h = \mbox {coefficient global d'échange} \;.
    • .\; S_e = \mbox {surface d'échange} \;.


Démarche de calcul d'un échangeur:

Le calcul de la surface d'échange d'un échangeur entre deux fluides de capacités thermiques différentes dont on souhaite qu'ils aient les températures d'entrée sortie de l'échangeur .\; T_e \; ; \; T_s \;. pour le fluide chaud;.\; t_e \; ; \; t_s \;. pour le fluide froid avec la condition .\; Q * C * ( T_e - T_s ) = q * c * ( t_s - t_e )  \;. s'effectue de la façon suivante:

  • Calcul du coefficient d'échange h par application des corrélations classiques des échanges thermiques qui donnent la valeur du nombre de Nusselt des écoulements. Quand cela est nécessaire (fortes variations des caractéristiques thermodynamiques des fluides) on effectue le calcul de h en différents points de l'échange de façon à disposer d'une valeur moyenne consolidée.
  • Calcul du .\; \Delta T Log \;.
  • La surface d'échange nécessaire est alors donnée par la formule simple: .\; S_e  =  { W \over \ h * \Delta T Log }  \;.

A contrario si on connait la géométrie de l'échangeur, les températures d'entrée et les débits massiques des fluides on peut évaluer la puissance échangée ainsi que les températures de sortie de l'échangeur avec la même formule. La majorité des calculs de pré-dimensionnement des échangeurs sont effectués avec cette formule.


Températures le long de l'échange:

Avec l'hypothèse d'invariance du coefficient d'échange local, les températures du fluide chaud .\; T \;.et du fluide froid .\; t \;.le long de l'échange thermique en fonction de l'abscisse curviligne orientée dans le sens de l'écoulement du fluide .\; { S \over S_e } \;.sont données par les relations suivantes:

  • Si l'échangeur est anti-méthodique (i.e. à co-courant)

.\;  T = T_e - { T_e - t_e \over 1 + \alpha } * \left[ 1 - \left( { T_s - t_s  \over T_e - t_e } \right)^{{S \over S_e } } \right] \quad..\;  t = t_e + { T_e - t_e \over 1 + { 1 \over\alpha } } * \left[ 1 - \left( { T_s - t_s  \over T_e - t_e } \right)^{{S \over S_e } }  \right] \;.

  • Si l'échangeur est méthodique (i.e. à contre courant)

.\;  T  = T_e - {T_e - t_s \over 1 - \alpha }  * \left[ 1 - \left( { T_s - t_e  \over T_e - t_s } \right)^{{S \over S_e } } \right]  \quad..\;  t = t_e + { T_s - t_e \over 1 - { 1 \over\alpha } } * \left[ 1 - \left( { T_e - t_s  \over T_s - t_e } \right)^{{S \over S_e } }  \right] \;.

  • avec;
    • .\; \alpha = { t_s - t_e \over T_e - T_s  } \;.
    • .\; {S \over S_e } = \mbox {abscisse curviligne de l'échange dans le sens d'écoulement du fluide} \;.
    • Si on souhaite avoir les températures en regard l'une de l'autre au même endroit de l'échangeur dans le cas de l'échange méthodique il faut remplacer.\; {S \over S_e }\;. par .\; 1 - {S \over S_e }\;. dans l'une ou l'autre des formules donnant .\; T \;. et .\; t \;.



Un exemple d'application est donné à l'article générateur de vapeur

Article connexe : Flux thermique.

Types d’échangeurs[modifier | modifier le code]

Il existe différents types d’échangeurs selon les objectifs recherchés.

Échangeur à tubes en U[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur à tubes en U

Il s'agit de l'échangeur le plus commun.

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Résiste aux fortes pressions
  • Libre dilatation des tubes et du corps
  • Toutes puissances
  • Encombrement
  • Prix de revient élevé
  • Débouchage difficile
  • vapeur/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Huile/eau
  • Process

Échangeur à faisceau tubulaire horizontal[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur tubulaire

Un schéma typique d'un échangeur tubes calandre (shell and tubes exchanger ou échangeur à tubes et virole) est présenté ci-contre. L'appareil est constitué d'un faisceau de tubes, disposés à l'intérieur d'une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. On ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et améliorent le transfert à l'extérieur des tubes.

À chaque extrémité du faisceau sont fixées des boîtes de distribution qui assurent la circulation du fluide à l'intérieur du faisceau en une ou plusieurs passes. La calandre est elle aussi munie de tubulures d'entrée et de sortie pour le second fluide (qui circule à l'extérieur des tubes) suivant le chemin imposé par les chicanes (voir figure).

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Résiste aux fortes pressions
  • Pour toutes les puissances
  • Economique
  • Accepte des grands écarts de température
  • Peut être utilisé en condensation partielle
  • Contraintes sur les tubes
  • Difficulté de nettoyage (multitubes)
  • Sensible aux vibrations
  • Eau/eau
  • Vapeur/eau
  • Huile/eau
  • Eau surchauffée/eau

Echangeur à faisceau tubulaire vertical[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur tubulaire
Avantages Inconvénients Utilisation
  • Faible encombrement
  • L'échangeur peut être plein de condensat
  • Parfaitement adapté à l'échange vapeur haute pression/eau
  • Formation de poche d'air
  • Si le volume multiplié par la pression est supérieur à 200 bar Litre, l'appareil est soumis au contrôle des appareils sous pression (loi du 15 mars 2000) (CH)
  • Vapeur HP/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Fluide thermique/eau
  • Fumées/eau
  • Process

Echangeur à spirales[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur à spirale

Un échangeur à spirales consiste en 2 plaques de métal enroulées de manière hélicoïdale pour former une paire de canaux en spirale. Le diamètre de l'échangeur est relativement grand, avec une surface d'échange maximale d'environ 185 m2 pour un diamètre de 1,5 m[1], ce qui le place dans la catégorie des échangeurs non-compacts. L'échange de chaleur n'est pas aussi bon que celui de l'échangeur à plaques, car la surface d'échange ne possède pas en règle générale de profil, mais pour une même capacité d'échange, un échangeur spiral nécessite 20 % de moins de surface d'échange qu'un échangeur à faisceau tubulaire[1].

Il est utilisable pour les liquides visqueux ou pour les mélanges liquide-solide et possède une capacité auto-nettoyante garantissant un encrassement réduit par rapport à l'échangeur à faisceau tubulaire. Il ne peut travailler qu'avec des différences de températures et de pression limitées.

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Grande surface de contact
  • Large passage
  • Encombrement réduit
  • Excellent condenseur
  • Autonettoyant
  • Non démontable
  • Ecarts de T limités
  • Eau/eau
  • Vapeur/eau
  • Eau surchauffée/eau

Echangeur à plaques[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur à plaques
Une plaque avec un profil appelé Chevron

L'échangeur à plaques est un type d'échangeur de chaleur qui connaît un usage croissant dans l'industrie. Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides. Le périmètre des plaques est bordé d'un joint qui permet par compression de la structure d'éviter les fuites.
Les plaques ne sont pas plates, mais possèdent une surface ondulée selon un schéma bien précis afin de créer un flux turbulent synonyme d'un meilleur transfert de chaleur, mais permet également de canaliser les fluides se déplaçant à la surface vers les coins de la plaque. Le fluide se déplace, par exemple, du coin inférieur gauche vers le coin supérieur droit de la plaque, où un orifice lié à un tuyau lui permet de passer de l'autre côté de la plaque et de sauter une couche du millefeuille (un espace entre 2 plaques) avant de s'écouler à nouveau le long de la plaque suivante. Ainsi chaque fluide ne circule parallèlement à une plaque que tous les 2 espaces.
L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et facilement adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/réduire la surface d'échange en fonction des besoins (Attention: la surface ne peut être augmentée de manière infinie à cause de la perte de charge). La surface en contact avec l'extérieur est réduite au minimum, ce qui permet de limiter les pertes thermiques et l'étroitesse de l'espace où circulent les fluides ainsi que le profil des plaques assurent un flux turbulent qui permet un excellent transfert de chaleur.
Toutefois ces derniers paramètres entraînent une importante perte de charge qui limite le nombre de passage des fluides entre les plaques. Cette perte de charge ne peut être compensée par une pression d'entrée des fluides élevée (<2.5 MPa) [1] car une trop grande pression causerait des fuites au travers des joints placés entre les plaques. La différence de températures entre les 2 fluides ne doit pas être trop grande également pour éviter une déformation des plaques par dilatation/contraction de ces dernières qui empêcherait les joints entre les plaques d'être parfaitement étanches.
La turbulence permet de réduire l'encrassement de la surface d'échange de 10-25 % par rapport à un échangeur à faisceau tubulaire. Comparativement à un échangeur à faisceau tubulaire la surface d'échange est inférieure de 50 % pour le même transfert de chaleur[1].

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Compact
  • Très bons coefficients de transfert
  • Prix compétitifs
  • Peu de pertes thermiques
  • Modulable
  • Faible écart de T possible
  • Régulation
  • Perte de charge importante
  • Pression de travail limitée
  • Vapeur BP/eau
  • Eau/eau
  • Huile/eau
  • Eau surchauffée/eau

Colonne de Bouhy[modifier | modifier le code]

colonne de Bouhy

Excellente alternative aux échangeurs à plaques dans les sécheurs d'air comprimé, la colonne de Bouhy est en fait un échangeur à tête d'épingle auquel a été ajouté un séparateur air/eau centrifuge dans la partie inférieure. Le dispositif dispose de deux échangeurs coaxiaux, le premier servant à amener l'air en dessous de son point de rosée, le second servant à la fois à ramener l'air à une température convenant à son utilisation et surtout à augmenter l'efficacité du refroidissement. Ce type d'échangeur se caractérise par une très faible perte en charge.

Échangeur à bloc[modifier | modifier le code]

Schéma d'un échangeur à bloc complexe
Schéma d'un échangeur à bloc simple

L'échangeur à bloc est un type d'échangeur de chaleur réservé à des applications particulières. Il consiste en un bloc d'une matière thermiquement conductrice percé de multiples canaux dans lesquels circulent les 2 fluides. Le bloc est le plus souvent composé de graphite additionné parfois de polymères pour améliorer les propriétés mécaniques de l'échangeur. Le bloc est placé dans une structure qui assure la distribution des liquides dans les canaux.
Le bloc peut avoir différentes formes: cylindrique ou cubique. Il peut encore être composé d'un seul bloc ou de plusieurs parties empilées de manière à permettre les fluides de passer d'une partie à l'autre. L'intérêt de ce type d'échangeur de chaleur est principalement sa résistance chimique aux liquides corrosifs ainsi que sa capacité modulaire: le bloc peut facilement être remplacé en cas de fuites. Le fait que le rapport volume libre pour passage des fluides/volume du bloc est très petit crée une grande inertie dans les cas de changements de température: le bloc agit comme un réservoir et peut lisser les différences de température.
Les blocs sont cependant fragiles tant aux chocs qu'aux grands écarts de température (problème de dilatation non-uniforme pouvant conduire à des fissurations du bloc). Le prix est relativement élevé par rapport aux autres types d'échangeurs et le transfert de chaleur est en général moyen: l'épaisseur de la paroi d'échange est plus grande que pour une surface d'échange en métal pour cause de fragilité, ce qui augmente la résistance au transfert.

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Bonne résistance chimique
  • Inertie
  • Peu de pertes thermiques
  • Modulable
  • Sensible aux grands écarts de T
  • Sensible aux chocs
  • Coefficients de transfert moyen
  • Prix
  • Vapeur/eau
  • Eau/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Liquides corrosifs

Tour de refroidissement[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Tour de refroidissement.

Échangeur à ailettes[modifier | modifier le code]

Échangeur eau/air d'automobile.

Un échangeur à ailettes est un échangeur relativement simple : il consiste en un conduit cylindrique ou rectangulaire sur lequel sont fixées des lames métalliques de différentes formes. Le fluide de refroidissement est en général l'air ambiant. La chaleur est transférée du fluide chaud circulant dans le conduit principal aux lames métalliques par conduction thermique ; ces lames se refroidissent au contact de l'air.

Ce type d'échangeur est utilisé pour le chauffage dans les bâtiments : de l'eau est chauffée dans l'installation de chauffage et circule dans des radiateurs qui sont des échangeurs à ailettes. On utilise également ce type d'installation pour refroidir les moteurs de voiture ou encore les moteurs en tout genre. Dans ce dernier cas, la chaleur due aux frottements et à l'induction magnétique (cas d'un moteur électrique) est directement transférée à la protection extérieure du moteur qui possède des ailettes fixées à sa surface.

Radiateur pour l'électronique

Le transfert thermique est limité notamment du côté du fluide de refroidissement par manque d'un système de circulation : l'air circule principalement par convection naturelle autour de l'échangeur. Cette limitation peut toutefois être supprimée par ajout d'un système de ventilation. Cet échangeur est très simple et peut prendre des formes particulières, ce qui le rend intéressant dans l'électronique.

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Bon rendement
  • Peut prendre des formes précises
  • Craint les chocs
  • eau/air
  • huile/air
  • solide/air

Échangeur à fils fins[modifier | modifier le code]

De nouveaux échangeurs à fils fins permettent des échanges eau/air à très faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Dans le cas où les fluides ont des capacités thermiques égales les relations se simplifient et en particulier, dans le cas d'un échange méthodique, .\;\scriptstyle T_e - T_s = t_s - t_e \;.. L'écart de température entre les deux fluides est alors constant tout au long de l'échange
  2. On pourra remarquer qu'il suffit d'un écart de 1/10 000 ième de °C avec les valeurs trouvées pour les températures .\;\scriptstyle  T_e ; T_s;t_e~et~t_s \;. pour rendre le calcul de .\;\scriptstyle \Delta T Log \;. faisable sans que l'erreur introduite délibérément dans le calcul rende celui-ci inutilisable

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d (en) Ramesh K. Shah1, Alfred C. Mueller, "Heat Exchange" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, DOI: 10.1002/14356007.b03_02, Wiley-VCH,‎ 15 juin 2000, 114 p.

Articles connexes[modifier | modifier le code]