Fonctionnement d'un échangeur de chaleur

Le fonctionnement d'un échangeur de chaleur comporte des éléments très techniques, mais le principe de base n'est pas compliqué.

Attardons-nous sur le principe de fonctionnement et les principaux types d'échangeurs de chaleur !

Fonctionnement d'un échangeur de chaleur : les fluides

Les fluides déterminent pour beaucoup la technologie d'échangeur adaptée.

Un échangeur de chaleur sert à transférer de l'énergie thermique (de la chaleur, donc) d'un fluide à un autre.

Il s'agit donc d'un appareil présent dans toutes les installations industrielles, mais aussi dans nos chaudières, réfrigérateurs ou sèche-linge.

Nos radiateurs domestiques sont d'ailleurs eux aussi des échangeurs thermiques !

Le fonctionnement d’un échangeur de chaleur est donc basé sur un transfert de chaleur, et non sur un mélange : les deux fluides n'entrent jamais en contact.

Cela se fait à travers une paroi de séparation entre le fluide froid et le fluide chaud, que l’on appelle « surface d’échange ».

C’est celle-ci qui envoie l’énergie calorifique d’un fluide à l’autre, de façon continue et automatique.

Différents types de fluides

Comme il n’existe pas — nous le verrons dans la suite de cet article — qu'un seul type d’échangeur de chaleur, il n’existe pas non plus un seul type de fluides qui y circule.

Par convention, le fluide chauffant est appelé fluide primaire, et le fluide chauffé est nommé fluide secondaire.

On peut aussi simplement garder fluide chaud et fluide froid.

On parle donc d'échangeurs de chaleur gaz/gaz, liquide/gaz, liquide/liquide ou encore air/air, eau/air et eau/eau en fonction du type de fluide.

La circulation des fluides peut être organisée à co-courants (ou courants parallèles).

Dans ce cas, les fluides parcourent la surface d’échange dans le même sens.

La circulation peut aussi être à contre-courants (ou à courants opposés).

L’écart de température reste alors important sur toute la surface d’échange.

Enfin, les courants peuvent être croisés.

Il s’agit d’un fonctionnement intermédiaire aux modes co-courants et contre-courants.

Les différents types d’échangeur

Au fur et à mesure des avancées technologiques, les échangeurs de chaleur se sont modernisés et complexifiés. Le fonctionnement d'un échangeur de chaleur est sensiblement toujours le même, mais il existe plusieurs technologies.

Tubulaire en U

Échangeur de chaleur à air alfa laval Olmi

L’échangeur tubulaire en U, très utilisé aujourd’hui.

Il présente l’avantage de résister à de fortes pressions, et de convenir à de nombreuses puissances différentes.

En revanche, son prix de revient est assez élevé.

À plaques

L’échangeur à plaques, se trouve le plus souvent dans le secteur industriel.

Il est composé, comme son nom l’indique, de nombreuses plaques, séparées les unes des autres par quelques millimètres.

L’échangeur à plaques permet de créer un flux turbulent pour transférer la chaleur.

Il s'agit d'un type d'échangeur compact et très performant parfait pour la récupération d'énergie, ou pour améliorer la performance des installations !

Faisceau tubulaire horizontal

Ce type d’échangeur est composé d’un faisceau de tubes disposés dans une calandre.

Les fluides circulent pour l’un dans les tubes, et pour l’autre dans la calandre.

L’échangeur à faisceau tubulaire horizontal résiste à de fortes pressions et convient à toutes les puissances.

Économique, il peut être utilisé en condensation partielle.

En revanche, il est sensible aux vibrations, et son nettoyage n’est pas facile.

Faisceau tubulaire vertical

Il fonctionne comme son équivalent horizontal, mais positionné à la verticale.

Son encombrement est donc moindre !

À spirales

Dans celui-ci, deux plaques de métal sont enroulées. Elles forment ainsi une paire de canaux en spirale.

Il correspond principalement à une utilisation de fluides visqueux, et aux mélanges liquide-solide.

L’avantage ? L’échangeur à spirale possède une capacité auto-nettoyante, et une grande surface de contact.

En revanche, il ne résiste pas aux trop hautes pressions.