Échangeur de chaleur

Un échangeur de chaleur est un système servant à transférer de l'énergie thermique d'un fluide vers un autre, sans les mélanger.



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Transfert thermique - Énergie - Thermodynamique - Génie chimique

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Définitions :

  • équipement permettant à un fluide chaud de céder sa chaleur à un fluide plus froid. Dans une PAC, il existe deux types d'échangeurs de ... (source : intis)

Un échangeur de chaleur est un système servant à 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 complexe 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. De nouveaux échangeurs à fils fins permettent des échanges eau/air à particulièrement faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement.

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

Mode de transfert

-À courant parallèle : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens.

-À contre courant : idem, mais les courants vont dans des sens opposés.

-À courant croisé : les deux fluides sont situés perpendiculairement.

-À tête d'épingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans un conduit plus large, que le deuxième fluide traverse. Dans cette configuration, nous pouvons comparer ce dernier à un échangeur à courant parallèle sur une distance identique à la moitié de l'échangeur, 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, l'air chaud monte de bas en haut dans une grande tour et des buses projetant de l'eau froide sortent des parois donnant la possibilité ainsi de refroidir l'air.

-...

Exemples :

Echangeur tubulaire

Principe de l'échangeur tubulaire

Un échangeur tubulaire peut être reconnu comme l'échangeur de chaleur le plus simple : il consiste en 2 tubes concentriques. Un fluide circule dans le tube interne tandis que le second passe dans l'espace entre les 2 tubes. Facile à nettoyer ou à réparer, il sert à travailler avec des liquides à hautes pressions. Ne permet qu'un échange de chaleur limité et ne possède qu'une petite surface d'échange (maximum 50 m2[1]).

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Puissance limitée
  • Risque de "claquement" si le diamètre des tuyaux est petit (<50 mm) et si la longueur est grande
  • Eau/eau
  • Vapeur/eau
  • Fluides thermiques/eau
  • Fluides frigorigènes

Echangeur à tubes en U

Schéma d'un échangeur à tubes en U
Avantages Inconvénients Utilisation
  • Résiste aux fortes pressions
  • Libre dilatation des tubes et du corps
  • Toutes puissances
  • Encombrement
  • Prix de revient élevé
  • Débouchage complexe
  • Eau/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Huile/eau
  • Process

Echangeur à faisceau tubulaire horizontal

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 au sein des tubes et l'autre au sein de la calandre, autour des tubes. On ajoute généralement des chicanes dans la calandre, qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et perfectionnent le transfert hors des tubes.

A 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 pourvue de tubulures d'entrée et de sortie pour le second fluide (qui circule hors des tubes) suivant le chemin imposé par les chicanes (voir figure).

Avantages Inconvénients Utilisation
  • Résiste aux fortes pressions
  • Pour l'ensemble des 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

Schéma d'un échangeur tubulaire
Avantages Inconvénients Utilisation
  • Faible encombrement au sol
  • L'échangeur peut être plein de condensat
  • Parfaitement adapté à l'échange vapeur haute pression/eau
  • Formation de poche d'air
  • Si le volume est supérieur à 100 L, soumis au contrôle des appareils sous pression (CH)
  • Vapeur HP/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Fluide thermique/eau
  • Fumées/eau
  • Process

Echangeur à spirales

Schéma d'un échangeur à spirale

Un échangeur à spirales consiste en 2 plaques de métal enroulées de manière hélicoïdale pour forme une paire de canaux en spirale. Le diamètre de l'échangeur est assez 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].
Utilisable pour les liquides visqueux ou pour les mélanges liquide-solide et possède une capacité auto-nettoyante lui donnant la possibilité un encrassement réduit comparé à l'échangeur à faisceau tubulaire. 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

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

L'échangeur à plaques est un type d'échangeur de chaleur qui connaît un usage croissant dans l'industrie. Il se compose de la plupart de plaques disposées en forme de millefeuilles et scindées 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 pour créer un flux turbulent synonyme d'un meilleur transfert de chaleur, mais permet aussi 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 sert à 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 l'ensemble des 2 espaces.
Les avantages de ce type d'échangeur est sa simplicité qui est fait un échangeur peu coûteux et aisément adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/diminuer la surface d'échange suivant les besoins (Attention : la surface ne peut être augmentée de manière illimitée à cause de la perte de charge). La surface avec l'extérieur est réduite au minimum, ce qui sert à limiter les pertes thermiques et l'étroitesse de l'espace où circulent les fluides mais aussi le profil des plaques assurent un flux turbulent qui permet un excellent transfert de chaleur.
Cependant 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 positionnés entre les plaques. La différence de températures entre les 2 fluides ne doit pas être trop grande aussi pour éviter une déformation des plaques par dilatation/contraction de ces dernières qui empêcherait les joints entre les plaques d'être idéalement étanches.
La turbulence sert à diminuer l'encrassement de la surface d'échange de 10-25% comparé 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 cœfficients de transfert
  • Prix compétitifs
  • Peu de pertes thermiques
  • Modulable
  • Faible écart de T envisageable
  • Régulation
  • Perte de charge importante
  • Pression de travail limitée
  • Vapeur BP/eau
  • Eau/eau
  • Huile/eau
  • Eau surchauffée/eau

Colonne de Bouhy

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 système dispose de deux échangeurs coaxiaux, le premier permettant de amener l'air en dessous de son point de rosée, le second permettant de la fois à ramener l'air à une température convenant à son utilisation et en particulier à augmenter l'efficacité dur refroidissement. Ce type d'échangeur se définit par une très faible perte en charge.

Echangeur à bloc

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 spécifiques. 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 fréquemment composé de graphite additionné quelquefois de polymères pour perfectionner les propriétés mécaniques de l'échangeur. Le bloc est positionné dans une structure qui assure la distribution des liquides dans les canaux.
Le bloc peut avoir différentes formes : cylindrique ou cubique. Il peut toujours être composé d'un seul bloc ou de plusieurs parties empilées de façon à permettre les fluides de passer d'une partie à l'autre. L'intérêt de ce type d'échangeur de chaleur est essentiellement sa résistance chimique aux liquides corrosifs mais aussi sa capacité modulaire : le bloc peut aisément être remplacé en cas de fuites. Le fait que le rapport volume libre pour passage des fluides/volume du bloc est particulièrement 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 assez élevé comparé aux autres types d'échangeurs et le transfert de chaleur est généralement 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
  • Cœfficients de transfert moyen
  • Prix
  • Vapeur/eau
  • Eau/eau
  • Eau surchauffée/eau
  • Liquides corrosifs

Tour de refroidissement

Icône de détail Article détaillé : Tour de refroidissement.

Echangeur à ailettes

Échangeur eau/air d'automobile.

Un échangeur à ailettes est un échangeur assez simple : il consiste en un conduit cylindrique ou rectangulaire sur lequel sont fixées des lames métalliques de différentes formes. Le fluide de refroidissement est généralement 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 aussi 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 ainsi qu'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. Le transfert thermique est limité surtout du côté du fluide de refroidissement par manque d'un dispositif de circulation : l'air circule essentiellement par convection naturelle autour de l'échangeur. Cette limitation peut cependant être supprimée par ajout d'un dispositif de ventilation. Cet échangeur est particulièrement simple et peut prendre des formes spécifiques, 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
Radiateur électronique


Notes et références

  1. abcde Ramesh K. Shah1, Alfred C. Mueller, "Heat Exchange" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, DOI : 10.1002/14356007. b03_02, 15 juin 2000, 114 p.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 17/05/2009.
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