Qu’est-ce qu’un échangeur de chaleur ?
Un échangeur de chaleur est un dispositif qui transfère la chaleur entre des fluides tels que l’air et l’eau.
Un équipement typique qui utilise un échangeur de chaleur est un climatiseur, une machine qui régule la température d’une pièce au moyen d’un échange de chaleur entre un réfrigérant et l’air. Diverses constructions ont été mises au point et doivent être sélectionnées en fonction du fluide utilisé pour l’échange de chaleur.
Utilisations des échangeurs de chaleur
Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans un large éventail d’utilisations, des appareils ménagers aux applications industrielles. Voici quelques exemples d’utilisations des échangeurs de chaleur :
- Équipements de climatisation tels que les climatiseurs domestiques et les chauffe-eau.
- Radiateurs dans les voitures.
- Réfrigérateurs commerciaux dans les usines de produits surgelés.
- Contrôle de la température des gaz dans les usines de traitement.
- Condenseurs et économiseurs de charbon dans les turbines à vapeur.
- Refroidissement de l’unité centrale des ordinateurs.
Dans les utilisations domestiques, les échangeurs de chaleur sont installés dans les climatiseurs et les réfrigérateurs. Ils maintiennent la température requise en transférant la chaleur de la pièce ou de l’intérieur. Les échangeurs de chaleur peuvent également être utilisés dans les chauffe-eau et les systèmes de chauffage par le sol.
Les exemples ne manquent pas dans l’industrie. Les usines équipées de fours industriels, par exemple, utilisent de l’eau industrielle ou de l’eau de mer pour refroidir l’enveloppe dans les échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur sont également fréquemment utilisés dans les centrales électriques et autres équipements d’infrastructure. Les condenseurs dans la production d’énergie à partir de la vapeur sont un type d’échangeur de chaleur.
Les échangeurs de chaleur tels que les dissipateurs de chaleur sont utilisés pour refroidir les ordinateurs. Il s’agit d’un produit comportant plusieurs dissipateurs de chaleur, qui sont installés directement sur le fluide caloporteur et utilisent l’atmosphère ambiante comme moyen de refroidissement.
Principe des échangeurs de chaleur
Les échangeurs de chaleur sont constitués d’une tuyauterie et d’ailettes.
La tuyauterie est la structure dans laquelle circule le fluide à chauffer ou à refroidir. Elle est généralement fabriquée en métal et dans une variété de produits, tels que l’acier inoxydable ou le cuivre, en fonction de l’application. Lorsque le fluide qui sert de source de chaleur y circule, l’on parle de tuyauterie de transfert de chaleur, tandis que lorsque le fluide qui sert de source de refroidissement y circule, l’on parle de tuyauterie de réfrigérant.
Les ailettes sont des structures qui dissipent efficacement la chaleur. L’aluminium est souvent utilisé en raison de ses excellentes propriétés de transfert de chaleur. Elles sont fixées aux tuyaux sous forme de plis.
Selon le sens de circulation des fluides à basse et haute température, l’on distingue deux types d’écoulement : l’écoulement directionnel et l’écoulement parallèle. Le type de flux directionnel est utilisé lorsque le flux est dans la direction opposée l’un à l’autre, tandis que le type de flux parallèle est utilisé lorsque le flux est dans la même direction. En général, le type de flux directionnel est considéré comme plus efficace pour l’échange de chaleur.
Types d’échangeurs de chaleur
Les types de structure les plus courants sont les échangeurs de chaleur multitubulaires, les échangeurs de chaleur à plaques et les échangeurs de chaleur en spirale. Les autres types sont les échangeurs de chaleur à ailettes, les échangeurs de chaleur à tubes à ailettes et les échangeurs de chaleur à serpentins.
1. Échangeurs de chaleur multitubulaires
Les échangeurs de chaleur multitubulaires sont constitués d’un tube circulaire épais et d’un certain nombre de tubes circulaires minces à l’intérieur de l’anneau circulaire. Le fluide à échanger circule dans le tube circulaire épais, tandis que le réfrigérant et l’eau de refroidissement circulent dans les tubes circulaires minces pour l’échange de chaleur. Chaque tube est cloisonné de manière à ce que les fluides ne se mélangent pas et que la chaleur soit échangée entre eux.
2. Échangeurs de chaleur à plaques
Il s’agit d’un échangeur de chaleur dans lequel un certain nombre de plaques métalliques de transfert de chaleur spécialement traitées sont empilées les unes sur les autres et les fluides chauds et froids circulent alternativement sur les plaques.
Cet échangeur de chaleur permet d’obtenir facilement un effet turbulent et un taux d’échange thermique élevé. Il présent également l’avantage d’une conception compacte, moins problématique en termes de position d’installation. Grâce à la structure empilée des plaques de transfert de chaleur, le nombre de plaques peut être modifié en fonction des exigences du processus. Toutefois, les fluides à haute viscosité ou contenant des particules sont difficiles à utiliser car ils peuvent entraîner des blocages entre les plaques.
3. Échangeur de chaleur en spirale
Il s’agit d’un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur est échangée entre deux fluides dans une trajectoire d’écoulement en spirale où les deux fluides ne se mélangent pas.
La voie d’écoulement est un canal unique, ce qui signifie que toute matière adhérant aux parois de l’échangeur de chaleur peut être décollée des parois. Cela est dû à la largeur réduite du canal et à l’augmentation de la vitesse d’écoulement. Il convient donc à l’échange de chaleur de fluides contenant des impuretés.
4. Échangeurs de chaleur air-fin
Cet échangeur de chaleur se compose d’un tube et d’un ventilateur. Il est utilisé pour le refroidissement. Le fluide à refroidir circule dans le tube et est refroidi par le flux d’air grâce à la puissance du ventilateur.
5. Échangeur de chaleur à tubes à ailettes
Échangeur de chaleur dans lequel des ailettes (plaques de transfert de chaleur) sont installées sur des tubes tubulaires pour augmenter la surface de transfert de chaleur. Utilisé dans les échangeurs de chaleur des climatiseurs.
6. Échangeur de chaleur en serpentin
Il s’agit d’un échangeur de chaleur dans lequel les tubes de transfert de chaleur sont enroulés et l’extérieur est entouré d’un cylindre ou d’un élément similaire. Un fluide de refroidissement ou de chauffage est ajouté et échangé avec le côté du tube.