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- Date de rédaction
- 23/06/2022
Quels sont les différents types d’échangeurs thermiques ?
Le rôle d’un échangeur thermique est d’organiser un transfert de chaleur maitrisé entre deux fluides. L’échange de chaleur est toujours lié à une différence de température, on a donc toujours un fluide (plus) chaud et un fluide (plus) froid.
On distingue souvent trois types d’échangeurs thermiques, en fonction de la nature des fluides :
- Les échangeurs liquide/liquide, dans lesquels les deux fluides sont sous forme liquide. On parle souvent d’échangeurs thermiques eau/eau, mais d’autres fluides peuvent évidemment être utilisés
- Les échangeurs liquide/gaz, dans lesquels un fluide est sous forme liquide et l’autre sous forme gazeuse. On parle souvent d’échangeurs air/eau
- Les échangeurs gaz/gaz
Cette distinction n’est évidemment plus valable lorsque les fluides subissent un changement d’état, comme c’est le cas dans un échangeur de circuit frigorifique. Dans ce cas, on traite le fluide frigorigène plutôt comme un liquide pour définir les bonnes typologies d’échangeurs.
Les paramètres qui influent sur les performances des échangeurs :
- Les caractéristiques thermiques de chaque fluide : conductivité, capacité thermique massique, viscosité…
- Les caractéristiques de l’écoulement : vitesse, débit, turbulence, etc.
- Les constituants de l’échangeur : matériau, surface d’échange, isolation éventuelle, etc.
En fonction du type d’échange, des fluides utilisés, des performances technico-économiques recherchées, on peut faire appel à différentes technologies d’échangeurs. On a essayé de lister les principales ci-dessous.
L’échangeur à plaques :
C’est l’échangeur de base quand on s’intéresse aux échanges liquide/liquide. Compact, avec une bonne efficacité thermique, il est constitué d’une succession de plaques, en général métalliques. Le circuitage est réalisé de telle sorte que les espaces entre plaques soient alternativement occupés par un fluide, puis l’autre, ce qui crée l’échange. Les plaques sont en général brasées entre elles, ce qui donne l’étanchéité entre les circuits, mais rend impossible le démontage. Cependant, lorsqu’il est nécessaire de pouvoir intervenir sur les circuits, pour du nettoyage par exemple, on peut utiliser des échangeurs à plaques et joints, qui eux sont démontables. Plus onéreux, ces échangeurs sont réservés aux applications sensibles ou de fortes puissances.
- Compacte
- En général peu onéreux
- Bonnes performances thermiques
- Sensible à l’encrassement, réservé aux fluides sans impureté
- Maintenance difficile
- Génère des pertes de charges souvent importantes
L’échangeur à tubes / calandres
Un faisceau de tubes, dans lesquels circule un premier fluide, est plongé dans une enveloppe dans laquelle circule le second fluide. L’échangeur coaxial est un cas particulier de l’échangeur tubes/calandres. Le matériau utilisé pour constituer les tubes est en général bon conducteur thermique, ce qui permet l’échange. Ce type d’échangeur est plutôt réservé aux échanges liquide/liquide. Plus massif que l’échangeur à plaque, robuste, il sera privilégié lorsque des contraintes spécifiques s’appliquent, en particulier avec des eaux chargées ou des liquides visqueux, ou bien lorsque les différences de température sont très importantes.
- Peut être conçu pour être démontable / nettoyable pour accepter des eaux chargées
- Pertes de charges limitées
- Taille et poids
- Surface d’échange assez faible
L’échangeur pour cuve : serpentin interne, serpentin externe et double enveloppe
Que ce soit pour chauffer et stocker de l’eau chaude sanitaire ou un liquide de process, l’utilisation de cuve munie d’un échangeur intégrée est souvent une option valable. Bien sûr c’est aussi le cas lorsqu’on veut refroidir le contenu de la cuve !
Pour cela, en fonction de nombreux critères de décision, le choix peut se porter vers plusieurs techniques. Dans tous les cas, la cuve ayant une fonction de stockage, il faut penser à l’isoler ! C’est la base pour conserver la chaleur et limiter les consommations d’énergie.
- Le serpentin interne permet de faire circuler un fluide thermique (chaud ou froid), directement au contact du liquide que l’on veut chauffer ou refroidir, pendant le stockage de celui-ci dans la cuve. C’est très efficace, mais complexe en termes de fabrication puisqu’il faut faire rentrer le serpentin dans la cuve avant de la fermer
- L’idée du serpentin externe permet de contourner la difficulté de mise en œuvre. Cependant, comme le fluide thermique n’est pas directement en contact avec le liquide, l’efficacité de l’échange est moins bonne. Une bonne isolation est ici encore plus importante, puisque la source de chaleur ou de froid est à l’extérieur de la cuve, au plus près de l’air ambiant.
- Le principe de la double peau est similaire à celui du serpentin externe. La différence est simplement que le circuit du liquide thermique n’est pas canalisé, mais que celui-ci s’écoule « librement », sur toute la surface extérieure de la cuve. On retrouve beaucoup ce type d’échangeur en industrie agroalimentaire, en général associé avec une fonction de mélange ou de malaxage dans la cuve.
L’échangeur tubes / ailettes
C’est LA solution pour les applications de traitement d’air !
Le fluide caloporteur (ou frigoporteur) circule dans un réseau de tubes – souvent en cuivre – sur lesquels sont fixés des ailettes – souvent en aluminium. Le fluide peut ainsi transmettre sa chaleur aux ailettes. L’air est mis en circulation le long des ailettes, et échange de la chaleur avec elles au fur et à mesure de son parcours.
Le procédé peut sembler simple, mais il y a de nombreuses variables sur lesquelles travailler pour obtenir la bonne batterie tubes/ailettes (c’est l’autre nom de cet échangeur) : l’écart entre les ailettes (le pas), l’agencement des tubes, la profondeur de la batterie… Cela devient encore plus subtile lorsqu’on travaille en refroidissement, car l’air contient de l’humidité… qui va venir condenser sur les ailettes. Et si on travaille avec des températures de fluides négatives, les problématiques de givrage ne sont jamais loin. Il faudra alors designer l’échangeur pour limiter l’impact du phénomène, tenir compte des conséquences sur les pertes de charges, prévoir éventuellement des systèmes de dégivrages…
L’échangeurs air/air serpentin interne, serpentin externe et double enveloppe
Les échangeurs thermiques air/air forment une catégorie à part dans les échangeurs de chaleurs. On les retrouve souvent pour la récupération de chaleur sur l’air extrait dans les bâtiments, mais ils restent relativement peu répandus, notamment car la densité « thermique » des gaz est peu propice à des échanges efficaces.
Si le sujet sur les échangeurs thermiques vous intéresse, n’hésitez pas à vous manifester !
Conclusion
L’ échangeur est un composant important dans un système thermique. C’est souvent le composant le plus volumineux, et sa conception est importante pour garantir une bonne efficacité. L’échangeur parfait n’existe pas, il faudra donc toujours chercher le bon équilibre entre surface d’échange, pincements, coûts et contraintes de maintenance. Il est donc particulièrement utile de bien les connaitre, et de pouvoir les dimensionner correctement. En effet, un échangeur trop puissant, c’est un volume plus important et de l’argent dépensé inutilement. Un échangeur sous-dimensionné par contre, c’est un échange thermique moins bon, qui risque de dégrader les performances de l’installation toute entière.
Vous avez des questions ou bien une problématique d’échange thermique dans votre projet ? N’hésitez pas à nous solliciter pour en parler !
Nous intervenons sur tous les sujets technologiques en lien avec la thermique et la thermodynamique, et nous avons développé une expertise particulière dans les domaines du bâtiment, de l’alimentation, et de l’industrie.
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