Les différents types et les modes de fonctionnement des échangeurs thermiques

Qu’est-ce qu’un échangeur thermique ?

Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre sans les mélanger puisque le flux thermique traverse la surface d’échange qui sépare les fluides. Ces fluides peuvent être de nature différente : de l’eau, des liquides, de l’air, un gaz particulier. Pour tout procédé industriel, quel que soit le secteur, il permet de booster les performances énergétiques.

Comment fonctionne un échangeur thermique ?

L’échange de chaleur se produit toujours par convection : plus la surface d’échange est grande, plus l’échange est performant. L’échangeur thermique repose sur un transfert d’énergie calorifique, d’un fluide à l’autre, avec un fluide primaire, celui qui est dit « chauffant » et un fluide secondaire, celui qui est chauffé. L’échange n’est en effet possible que si le fluide cédant sa chaleur est plus chaud que le fluide réchauffé.

Les fluides circulent au sein de l’échangeur thermique de plusieurs façons. Lorsque les deux fluides parcourent la surface d’échange dans le même sens, on parle de courants parallèles. À contre-courants, ou courants opposés, les fluides primaires et secondaires parcourent la surface d’échange dans un sens opposé, ce qui occasionne un écart de température notable sur la surface d’échange. Enfin, le transfert à courants croisés est une alternative qui réunit quelques caractéristiques du co-courant et du contre-courant.

S’ils sont utilisés dans le secteur industriel, les échangeurs de chaleur sont présents dans de nombreux domaines. Ainsi, dans l’habitat des particuliers, les chaudières comprennent des échangeurs qui permettent de produire de l’eau de chauffe en récupérant l’énergie des produits de combustion. Même chose pour les radiateurs qui permettent, à l’aide d’eau de chauffe, de chauffer l’air des locaux.

Quels sont les différents types d’échangeur de chaleur ?

L’échangeur tubulaire

Dans l’industrie, les échangeurs tubulaires représentent plus de 60 % des installations thermiques. Il s’agit d’appareils dédiés à l’échange thermique qui peuvent mesurer jusqu’à plusieurs dizaines de mètres de long. Cet appareil est constitué d’un faisceau de tubes. Ces tubes, disposés à l’intérieur d’une enveloppe que l’on nomme « calandre », peuvent être placés verticalement ou horizontalement, ce qui est la configuration la plus courante.

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 suivant le chemin imposé par les chicanes.

Si ce dispositif impose un volume important et reste sensible aux vibrations, il résiste aux fortes pressions, s’adaptent à toutes les puissances et accepte des grands écarts de température.

L’échangeur à plaque

Un échangeur de chaleur à plaques est constitué de plaques en aluminium, en acier inoxydable ou en matériau synthétique. Son fonctionnement repose sur un système d’alvéoles, qui définissent les différents chemins empruntés par les fluides primaires et secondaires. Il a pour but de maximiser l’échange convectif. Pour cela, les plaques peuvent être fabriquées gaufrées. Cela permet de créer une turbulence à l’intérieur de l’échangeur, et donc d’améliorer les performances. Dans un échangeur à plaques, les courants entre les fluides primaires et secondaires sont presque toujours croisés. Ainsi, un fluide circule dans les conduits pairs, pendant que l’autre circule dans les conduits impairs. Le transfert d’énergie calorifique se fait sur toute la surface des plaques.

Les échangeurs de chaleur à plaques permettent d’obtenir un transfert thermique performant, ce qui contribue à leur succès grandissant, notamment dans le secteur industriel et dans le bâtiment. Basés sur le principe de la conductivité thermique, ils sont principalement utilisés pour des transferts de chaleur entre deux fluides caloporteurs de même nature : les gaz entre eux, ou bien les liquides. Assemblées par soudage, par brasure ou à l’aide de joints, les plaques sont de faible épaisseur (entre 0,1 mm et 0,8 mm) et séparées par de très faibles espaces (entre 5 et 10 mm). Le principal avantage d’un tel échangeur est qu’il est beaucoup plus compact qu’un échangeur tubulaire. Et il offre toutefois de très bons coefficients de transfert pour peu de pertes thermiques. C’est pourquoi les industriels du secteur de l’agroalimentaire notamment y ont recours.

Pour compléter le fonctionnement des échangeurs à plaques, des joints sont installés. Fabriqués en polymère dans la plupart des cas, ils assurent un double rôle : l’étanchéité des pièces d’une part, et la répartition des fluides dans l’échangeur d’autre part. En revanche, ces joints ne résistent pas à toutes les conditions d’utilisation. Pour des applications exigeant des températures et pressions élevées, mieux vaut se tourner vers des modèles à plaques brasées ou soudées.