Échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur contrôlent les échanges de température entre deux fluides (liquide ou gaz) dans un espace ou un système. Les échangeurs de chaleur fonctionnent en facilitant le transfert de chaleur pour atteindre l'équilibre. Par exemple, pour réchauffer une pièce à l'aide d'un radiateur, celui-ci devient chaud et transfère cette chaleur au milieu environnant, réchauffant l'air froid. Cet article décrit également les différents types d'échangeurs de chaleur, leurs applications typiques, ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Table des matières

• Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ?
• Types d'échangeurs de chaleur
• Échangeurs de chaleur à serpentin
• Échangeurs de chaleur à plaques
• Autres types d'échangeurs de chaleur
• Tableau récapitulatif des échangeurs de chaleur
• FAQ

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ?

Un échangeur de chaleur est un dispositif qui transfère l'énergie thermique. Deux fluides (gaz ou liquide) circulent dans l'échangeur de chaleur ; l'un est plus chaud que l'autre. L'énergie thermique a une tendance naturelle à l'équilibre, de sorte que l'énergie thermique du fluide le plus chaud se déplace vers le fluide le plus froid. Le fluide le plus chaud se refroidit et le fluide le plus froid se réchauffe.

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur par trois méthodes : la conduction, la convection et le rayonnement :

• Conduction : Lorsque deux objets de températures différentes se touchent physiquement, l'énergie thermique se déplace du haut vers le bas. Par exemple, une marmite de soupe chaude chauffera la surface de la table sur laquelle elle se trouve. Dans l'industrie, les appareils tels que les refroidisseurs de processus, les fours et les unités de réfrigération utilisent la conduction.
• Convection : La convection se produit lorsqu'un fluide transporte l'énergie thermique d'un autre fluide. Souffler sur une tasse de café chaud pour la refroidir utilise la convection. Les fours industriels à convection utilisent la convection pour faire circuler de l'air chaud afin de chauffer, sécher et cuire des matériaux.
• Rayonnement : Il y a rayonnement lorsqu'un objet émet des ondes électromagnétiques. Les objets plus chauds émettent plus de rayonnement. L'exemple le plus évident est celui du soleil.

Pour en savoir plus, consultez notre présentation de l'article sur le transfert de chaleur à base d'eau dans les systèmes CVC.

Types d'échangeurs de chaleur

La majorité des échangeurs de chaleur sont constitués d'un serpentin ou d'une plaque.

• Bobine : Les tubes droits ou courbes contiennent un fluide. La conduction transfère la température du fluide de l'intérieur du tube à la paroi extérieure du tube. Un second fluide de température opposée évacue alors la chaleur et se réchauffe ou se refroidit au cours du processus. Si l'on prend l'exemple de la figure 2, de nombreux échangeurs de chaleur à serpentin sont dotés d'ailettes fixées au serpentin afin d'augmenter la surface d'échange de chaleur.
• Assiette : La conception à plaques utilise la conduction à travers des plaques minces pour transférer la chaleur d'un fluide chaud à un fluide plus froid. Les deux fluides se déplacent généralement dans le dispositif dans des directions opposées afin d'améliorer l'efficacité du transfert. Les échangeurs de chaleur à plaques conviennent pour relier les bâtiments aux centres de chauffage et de refroidissement urbains et pour relier les éléments d'un système CVC.

Échangeurs de chaleur à serpentin

Échangeur de chaleur à tubes à ailettes

Un échangeur de chaleur à tubes à ailettes comporte des tubes enroulés reliés par de longues et fines pièces de métal appelées ailettes. La chaleur contenue dans les tubes se propage dans les ailettes, augmentant ainsi la surface avec laquelle un fluide plus froid interagit pour évacuer la chaleur par convection. Comme le montre la figure 2, un exemple courant est le serpentin à tubes à ailettes situé à l'arrière d'un réfrigérateur. La chaleur extraite du réfrigérateur pour le maintenir au frais est déplacée dans les tubes. L'air derrière le réfrigérateur éloigne la chaleur des tubes et des ailettes.

Les échangeurs de chaleur à serpentin à tubes ailetés sont également présents sur les.. :

• Systèmes de conduits
• Ventilo-convecteurs
• Unités de traitement d'air
• Évaporateurs et condenseurs de climatisation
• Chauffages de tranchées

Chauffage de tranchée

Comme le montre la figure 3, l'installation d'un chauffage de tranchée se fait généralement dans le sol autour du périmètre intérieur d'un bâtiment, en particulier sous les fenêtres. Les chauffages de tranchée utilisent un serpentin à tubes à ailettes pour éviter les pertes de chaleur par le sol et la condensation sur les fenêtres. L'eau chaude s'écoule dans le tube du chauffage de tranchée. La chaleur du chauffage de la tranchée se transmet à l'air froid près du sol. Cet air chauffé monte et est remplacé par de l'air plus frais, créant ainsi un cycle de convection pour chauffer l'espace.

Chauffage électrique par gaine

Un échangeur de chaleur électrique en gaine utilise des bobines très résistantes qui génèrent de la chaleur. L'air circulant dans le conduit éloigne l'air chaud des serpentins. Ces échangeurs de chaleur sont également utilisés dans les fours et les ventilo-convecteurs. En raison de la chaleur élevée qu'ils dégagent, les échangeurs de chaleur électriques en gaine ne conviennent qu'aux espaces où l'on ne peut pas accéder accidentellement à l'échangeur de chaleur.

Échangeur de chaleur à microcanaux

Un échangeur de chaleur à microcanaux est une amélioration de la conception des serpentins à tubes à ailettes. Les ailettes d'un échangeur de chaleur à microcanaux sont plus nombreuses et plus rapprochées. Certains modèles ont une distance inférieure à 1 mm entre les ailettes. Cette conception augmente considérablement la surface sur laquelle passe un fluide froid, transférant ainsi la chaleur ailleurs.

La majeure partie du transfert de chaleur par convection provient des ailettes de l'échangeur de chaleur, qui reçoivent la chaleur des tubes par conduction. Le transfert de chaleur par les tubes est beaucoup moins efficace que par les ailettes.

Les échangeurs de chaleur à microcanaux n'utilisent que du fluide frigorigène et sont utilisables dans :

• Sécheurs d'air
• Unités de condensation
• Climatiseurs résidentiels
• Refroidisseurs à air

Serpentin d'évaporateur du four

Le serpentin d'évaporation d'un four fonctionne avec une unité de climatisation. Le principe de fonctionnement est le même que celui d'un échangeur de chaleur à tubes à ailettes. Un serpentin d'évaporation est plus approprié pour les grandes maisons ou les petits bâtiments commerciaux afin de refroidir l'air dans un espace. Le réfrigérant froid circule dans les tubes du serpentin d'évaporation et l'air chaud de l'unité de climatisation circule sur les tubes. L'air provenant de l'unité se refroidit et retourne dans les conduits du bâtiment. Le réfrigérant du tube se réchauffe suffisamment pour s'évaporer et s'écoule dans un compresseur.

Radiateur

Les radiateurs (figure 5) sont courants en Amérique du Nord et en Europe. Les vannes de zone contrôlent le flux d'eau chaude dans la partie supérieure du radiateur par le biais d'un tube étroit. L'eau s'écoule à travers plusieurs tubes verticaux sur toute la largeur du radiateur. Ces tuyaux sont plus larges que le tuyau d'entrée, ce qui ralentit le flux pour augmenter l'efficacité du transfert de chaleur. Par conduction, le radiateur réchauffe l'air environnant. L'air autour du radiateur s'éloigne, laissant la place à de l'air plus frais qui s'écoule vers le radiateur. Cela crée un courant de convection qui réchauffe la pièce dans laquelle se trouve le radiateur.

Elément chauffant de l'eau

Un élément chauffant utilise l'électricité ou le gaz pour générer de la chaleur et chauffer l'eau dans un réservoir. L'eau qui entoure l'élément se réchauffe par conduction et monte. L'eau froide remplace l'eau chaude, ce qui crée un courant de convection dans le réservoir. Les éléments de chauffage de l'eau s'appliquent à des dispositifs tels que les machines à laver (figure 6), les chauffe-eau et les bassins ouverts des tours de refroidissement.

Boiler

Une chaudière utilise du gaz, du pétrole ou du charbon pour chauffer de l'eau ou la transformer en vapeur. L'eau circule dans des radiateurs (voir section radiateurs) reliés à la chaudière. Lorsque l'eau du système se refroidit, elle retourne à la chaudière pour redémarrer le processus.

Poutre froide

Un échangeur de chaleur à poutre froide est constitué d'un serpentin à tubes à ailettes et est suspendu au plafond. De l'eau froide circule dans les tubes de la poutre froide. L'air chauffé à proximité de la poutre froide transfère l'énergie aux tubes, qui refroidissent l'air et créent un courant de convection pour refroidir l'espace. Il en existe deux types : la poutre froide passive et la poutre froide active.

• Passive : Une poutre froide passive n'utilise pas de ventilateur pour faire circuler l'air.
• Actif : Une poutre froide active comporte des buses qui canalisent l'air à travers les tubes froids. Les poutres froides actives refroidissent plus efficacement les espaces.

Chauffage du four

Le fonctionnement d'un four est similaire à celui d'une chaudière. Cependant, il diffuse de l'air chaud dans un espace plutôt que d'envoyer de l'eau chaude ou de la vapeur dans les radiateurs. Un appareil de chauffage classique comporte une flamme alimentée au gaz qui chauffe un échangeur de chaleur, lequel chauffe l'air à l'intérieur de l'appareil. Le ventilateur qui achemine l'air froid du système de gaines du bâtiment vers le générateur d'air chaud déplace également l'air chaud du générateur d'air chaud à travers le système de gaines. Au fur et à mesure que l'air chaud remplit un espace, l'air plus froid se déplace dans un conduit de retour, qui va vers le four pour être chauffé.

Échangeur de chaleur à calandre et à tube

Un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire est constitué d'une grande enveloppe cylindrique (figure 8 étiquetée A) à l'intérieur de laquelle se trouvent des tubes (figure 8 étiquetée B), ou des nids de tubes. Le fluide circulant dans l'enveloppe est le fluide côté enveloppe, et le fluide dans les tubes est le fluide côté tube. Comme le montre la figure 8, les tubes traversent le tube de part en part, de l'entrée à la sortie. D'autres modèles de coquilles et de tubes comportent des tubes pliés en forme de U une ou plusieurs fois. Les tubes courbés permettent au fluide contenu dans les tubes d'effectuer plusieurs passages à travers l'enveloppe. Les chicanes (figure 8 étiquetée E) à l'intérieur de l'enveloppe forcent le fluide côté enveloppe à circuler à travers toute l'enveloppe pour une efficacité maximale du transfert de chaleur. Les plaques tubulaires (figure 8 étiquetée G) soutiennent les tubes dans l'enveloppe.

Le fluide contenu dans les tubes chauffe ou refroidit le fluide contenu dans l'enveloppe, ou vice-versa, en fonction de l'application. Un exemple courant dans l'industrie pétrolière est celui de l'huile chaude dans l'enveloppe et du fluide froid dans les tubes. Le fluide froid qui s'écoule de l'entrée du tube (Figure 8 étiquetée C) vers la sortie du tube (Figure 8 étiquetée F) refroidit l'huile chaude qui s'écoule de l'entrée de la coquille (Figure 8 étiquetée H) vers la sortie de la coquille (Figure 8 étiquetée D).

Le fonctionnement des échangeurs de chaleur à calandre dépend de leur type de flux :

• Comptoir : La figure 8 est un exemple de contre-courant. Les fluides circulant en sens inverse du côté de la calandre et du côté du tube sont les plus efficaces pour le transfert de chaleur.
• Parallèle : Dans un échangeur de chaleur à calandre et tubes à flux parallèle, les fluides côté calandre et côté tubes entrent du même côté et se déplacent dans la même direction. Le changement de chaleur pour chaque fluide est proportionnel.
• Croix : Les deux fluides circulent perpendiculairement l'un à l'autre dans un échangeur de chaleur tubulaire à flux croisé. En général, les deux fluides se trouvent dans des états différents. Un condenseur de vapeur en est un exemple. La vapeur chaude dans la coquille transforme l'eau plus froide en vapeur, qui est ensuite absorbée dans la source de vapeur initiale.

Échangeurs de chaleur à plaques

Les échangeurs de chaleur à plaques relient les bâtiments aux réseaux de chauffage et de refroidissement urbains. Ces échangeurs de chaleur nécessitent moins d'espace que d'autres échangeurs de chaleur (par exemple, les échangeurs de chaleur à calandre et à tube) qui produisent des échanges thermiques similaires. L'échangeur de chaleur à plaques utilise plusieurs plaques pressées dans une pile de plaques par des boulons de serrage. Comme le montre la figure 9, les échangeurs de chaleur à plaques à joints sont dotés de joints en caoutchouc qui contrôlent l'écoulement du fluide sur la plaque (voir la section sur les échangeurs de chaleur à plaques à joints ci-dessous). Les plaques reposent sur une barre de guidage qui assure leur alignement. Enfin, la pile de plaques comporte un couvercle fixe et un couvercle mobile. Les ports d'entrée et de sortie se trouvent sur le couvercle fixe. Le couvercle mobile permet de retirer, d'ajouter ou d'entretenir facilement les plaques.

Une autre caractéristique importante de l'échangeur de chaleur à plaques est la présence de rainures sur la surface de chaque plaque. Les rainures jouent trois rôles essentiels :

• Surface : Les ondulations augmentent la surface de chaque plaque, ce qui accroît le taux de transfert de chaleur.
• Rigidité : Les ondulations augmentent la rigidité de chaque plaque, ce qui permet d'obtenir des plaques plus fines, qui ont un taux de transfert de chaleur plus élevé.
• Turbulences : Les ondulations créent un flux turbulent, ce qui augmente le taux de transfert de chaleur et empêche le fluide de coller aux plaques.

Il existe des échangeurs de chaleur à plaques à passage unique et à passages multiples. Dans le cas d'un passage unique, les fluides chauds et froids ne traversent la pile de plaques qu'une seule fois. Dans le cas du multi-pass, les fluides passent plusieurs fois. Si le multi-passage permet un contrôle plus fin de la température, il exige également que les entrées et les sorties soient situées de part et d'autre de la pile de plaques. C'est pourquoi les échangeurs de chaleur à plaques à passage unique sont plus courants car ils sont plus faciles à monter et à démonter.

Joint d'étanchéité de l'échangeur de chaleur

Les échangeurs de chaleur à plaques sont généralement à contre-courant en raison de leur efficacité. Les joints de chaque plaque alternent les positions. Par exemple, si le fluide froid entrant dans l'échangeur de chaleur traverse la première plaque, la prochaine plaque qu'il traversera sera la troisième. Le fluide chaud traversera la deuxième et la quatrième plaque, et ainsi de suite.

Échangeur de chaleur à plaques brasées

Les échangeurs de chaleur à plaques brasées fonctionnent de la même manière que les échangeurs de chaleur à plaques à joints. Les plaques brasées sont assemblées à l'aide d'un métal d'apport, par exemple une fine feuille de cuivre entre chaque plaque. Lors de la fabrication, l'échangeur de chaleur à plaques brasées est chauffé à une température suffisante pour faire fondre le cuivre, mais pas les plaques, qui sont en acier inoxydable. Les avantages d'une plaque brasée par rapport à une plaque à joint sont qu'elles sont moins susceptibles de fuir, qu'elles sont plus compactes et qu'elles sont légèrement plus efficaces. Toutefois, l'ensemble de l'unité doit être remplacé si un échangeur de chaleur à plaques brasées est endommagé.

Échangeur de chaleur à plaques soudées

Un échangeur de chaleur à plaques soudées comporte des plaques soudées les unes aux autres. L'avantage de cet échangeur de chaleur à plaques par rapport aux autres est qu'il peut fonctionner à des températures et des pressions plus élevées. C'est pourquoi les échangeurs de chaleur à plaques soudées conviennent le mieux aux applications industrielles.

Échangeur de chaleur à microplaques

Les échangeurs de chaleur à microplaques sont de type joint ou brasé. Le principal avantage d'un échangeur de chaleur à microplaques est la conception ondulée de chaque plaque. Les échangeurs de chaleur à plaques traditionnels utilisent une conception en arête de poisson ou en chevron, tandis que les échangeurs de chaleur à microplaques utilisent de nombreuses petites alvéoles. Les alvéoles permettent au fluide de se déplacer sur la plaque de manière plus régulière et augmentent les turbulences, ce qui permet un transfert de chaleur plus efficace.

Échangeur de chaleur à plaques

Un échangeur de chaleur à plaques gainé fait partie d'une unité de traitement de l'air qui alimente la climatisation centrale. La conception de cet échangeur de chaleur à plaques utilise la chaleur de l'air évacué pour faire en sorte que l'air frais entrant dans l'espace soit chaud plutôt que froid. L'air chaud évacué traverse des plaques orientées en diagonale par rapport à d'autres plaques traversées par de l'air froid frais.

Échangeur de chaleur à calandre et à plaques

Un échangeur de chaleur à plaques et à calandre combine les principes de fonctionnement d'un échangeur de chaleur à tubes et à calandre et d'un échangeur de chaleur à plaques. Les plaques à l'intérieur de la coque sont circulaires et comportent un orifice supérieur et un orifice inférieur. Les plaques sont soudées les unes aux autres pour former une pile de plaques. L'échangeur de chaleur fonctionne à contre-courant. Le fluide chaud pénètre du côté de l'enveloppe et s'écoule sur et le long des plaques sans s'infiltrer à l'intérieur de celles-ci. Le fluide froid pénètre du côté de la plaque et s'écoule entre les plaques.

Autres types d'échangeurs de chaleur

Échangeur de chaleur à roue rotative

Un échangeur de chaleur à roue rotative est similaire à un échangeur de chaleur à plaques car il utilise l'air chaud des gaz d'échappement pour refroidir l'air frais. L'air chaud d'échappement (figure 10 en haut) chauffe une partie de la surface de la roue. Cette surface chauffée tourne vers le canal d'admission (figure 10, en bas) pour chauffer l'air frais. Un moteur et une courroie assurent la rotation de la roue à travers deux canaux.

Conduite de chaleur

Un chauffe-eau solaire (figure 11) est une application courante des caloducs. Un caloduc individuel est constitué d'un tube de verre qui scelle un tube de cuivre à l'intérieur. Le tube de cuivre se réchauffe sous l'effet du soleil et le tube de verre empêche la chaleur de s'échapper. Un joint sur le caloduc maintient le mélange d'eau à l'intérieur du tuyau à basse pression. Cela permet au mélange de se transformer en vapeur à des températures plus basses. La vapeur se déplace vers le haut du caloduc, qui se connecte au tuyau principal qui contient tous les caloducs du système. La chaleur au sommet du caloduc se transmet à l'eau froide qui s'écoule dans le tuyau principal, chauffant ainsi l'eau.

Dissipateur thermique

Un dissipateur thermique est constitué d'ailettes longues et étroites montées sur une base située à proximité d'une source de chaleur. La chaleur de la source est conduite dans la base du dissipateur thermique et se dissipe ensuite à travers les ailettes. L'air ou le liquide se déplace sur les ailettes du dissipateur thermique pour évacuer la chaleur par convection. Comme le montre la figure 12, un exemple courant est le dissipateur thermique d'un processeur d'ordinateur.

Tableau récapitulatif des échangeurs de chaleur

FAQ

Quel est le type d'échangeur de chaleur le plus efficace ?

En général, les échangeurs de chaleur à plaques sont plus efficaces que les échangeurs de chaleur à serpentins. Toutefois, l'échangeur de chaleur le plus efficace pour une application donnée dépend de cette dernière.

À quoi sert un échangeur de chaleur ?

Un échangeur de chaleur utilise un fluide chaud ou froid pour chauffer ou refroidir un autre fluide. Dans de nombreuses applications, cela permet de contrôler la température sans mélange indésirable des fluides.

Quels sont les avantages d'un échangeur de chaleur ?

La plupart des échangeurs de chaleur n'ont pas besoin de dispositifs supplémentaires pour fonctionner, comme un compresseur d'air.