Comment fonctionne un échangeur de chaleur ?

Utilisés pour transférer de la chaleur entre un fluide (liquide ou gazeux) et un autre fluide (un autre liquide ou gaz) sans permettre aux deux fluides d'entrer en contact direct l'un avec l'autre, les échangeurs de chaleur sont utilisés à la fois dans les processus de chauffage et de refroidissement.

Échangeurs de chaleursont utilisés dans une gamme d'applications, notamment la climatisation, les usines chimiques, les usines pétrochimiques, les raffineries de pétrole, les centrales électriques, le traitement du gaz naturel, la réfrigération, le traitement des eaux usées et le chauffage des locaux. On les trouve également dans les moteurs à combustion interne, où ils permettent au liquide de refroidissement du moteur de s'écouler à travers les serpentins du radiateur lorsque l'air passe devant eux, refroidissant le liquide de refroidissement tout en chauffant l'air.

Un échangeur de chaleur fonctionne en permettant à la chaleur d’un fluide de passer à un autre fluide, plus froid, sans qu’ils ne se mélangent ou n’entrent en contact direct.

Par exemple, imaginez un tuyau entouré d’un autre tuyau. Le tuyau intérieur pourrait permettre à un fluide chaud de le traverser tandis qu'un fluide plus froid passerait simultanément à travers le tuyau extérieur. Cela permettrait au fluide le plus froid de réduire la température du fluide le plus chaud, car le fluide le plus chaud augmenterait simultanément la chaleur du fluide le plus froid. Bien entendu, il s’agit d’un exemple très simple d’échange thermique, et il existe un certain nombre d’autres facteurs à prendre en compte lors de l’étude des échangeurs thermiques :

1. Passes

En courbant les tuyaux, par exemple en forme de « S », vous pouvez permettre aux fluides de faire plus d'un « passage » avant de quitter l'échangeur de chaleur. Un simple passage est un tuyau droit, dans lequel le fluide entre à une extrémité et sort assez rapidement à l’autre extrémité de l’échangeur thermique. Un double passage utilise une forme en U-, de sorte que le fluide entre et sort de l'échangeur de chaleur par la même extrémité, prolongeant ainsi le temps pendant lequel les fluides se croisent-dans l'échangeur de chaleur. Un triple passage utilise une formation en forme de « S » qui permet au fluide de parcourir la longueur de l'échangeur de chaleur trois fois avant de sortir. Plus le nombre de passages est élevé, plus le transfert de chaleur disponible est important – tout simplement parce que les fluides restent ensemble plus longtemps dans le système – même si cela peut également entraîner des chutes de pression et une perte de vitesse.

2. Traversée de température-Dépassée

Le croisement de température-se produit lorsque la chaleur du fluide de refroidissement commence à croiser la température du fluide chaud dans l'échangeur de chaleur. Par exemple, l'huile entrant dans un échangeur de chaleur à 80⁰C et l'eau à une température de 30⁰C pourraient voir leurs températures se croiser si l'huile diminuait à 50⁰C alors que l'eau atteignait 51⁰C. À ce stade, le liquide du refroidisseur (eau) est devenu plus chaud que l’huile. Le croisement de température-peut réduire considérablement l'efficacité d'un échangeur de chaleur, en particulier lors du refroidissement. Ceci peut être évité en augmentant le débit du liquide de refroidissement (voir « Débit » ci-dessous), afin qu'il y ait plus de liquide de refroidissement dans le système. Lorsque le croisement de température-est inévitable, l'utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques (voir « Types d'échangeur de chaleur, ci-dessous) est la meilleure solution.

3. Différence de température

Il s'agit de la différence de température entre le liquide de refroidissement et le fluide chaud, ce qui est important dans un échangeur de chaleur, comme le montre le « croisement de température » ​​(ci-dessus). Le liquide de refroidissement doit être maintenu à une température plus basse que le fluide chaud et, plus le liquide de refroidissement est froid, plus il sera efficace pour évacuer la chaleur du fluide chaud.

4. Débit

Il s'agit de la quantité de fluide qui traverse une-section transversale d'un tuyau au cours d'une période de temps spécifique. Il est calculé comme le volume de fluide par temps d'écoulement du fluide - avec un débit plus élevé augmentant potentiellement la capacité de l'échangeur de chaleur à transférer de la chaleur. Cependant, plus de fluide signifie également une plus grande masse à transporter, ainsi qu’une perte de pression et une vitesse croissantes.

Les échangeurs de chaleur peuvent être classés selon la disposition du flux ou selon la conception de l'échangeur de chaleur lui-même.

Les trois principales classifications de disposition de flux trouvées dans les échangeurs de chaleur sont le flux parallèle, le flux à contre-courant et le flux croisé :

• Flux parallèle :Les deux fluides entrent par la même extrémité de l'échangeur thermique et circulent en parallèle avant de sortir ensemble
• Contre-flux :Les fluides pénètrent par les côtés opposés de l’échangeur de chaleur et traversent le système dans des directions opposées. Il s'agit de la configuration de débit la plus efficace, car la différence de température moyenne entre les fluides reste plus élevée dans tout le système.
• Flux croisé :Dans cette forme d'échangeur de chaleur, les fluides se déplacent perpendiculairement (à angle droit) les uns par rapport aux autres.

Outre la disposition des flux, les échangeurs de chaleur peuvent être classés par type, en fonction de la conception physique de l'échangeur de chaleur :

• Double tuyau :Il s’agit du type d’échangeur de chaleur le plus simple utilisé par l’industrie. Comme leur nom l’indique, ils sont constitués de deux tubes dans lesquels les fluides peuvent circuler. La configuration d'écoulement peut être parallèle ou à contre-courant, le contre-courant étant plus efficace tandis que l'écoulement parallèle est meilleur si les deux fluides doivent être amenés à la même température. Ces échangeurs de chaleur sont faciles et peu coûteux à concevoir et à entretenir, mais ont un niveau d'efficacité relativement faible par rapport à d'autres conceptions.
• Coque et tube :Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes utilisent un ensemble de tubes métalliques à travers lesquels s'écoule un fluide, entourés d'une coque scellée à travers laquelle s'écoule le second fluide. Ce type d'échangeur de chaleur fonctionne avec tous les types de flux : parallèle, à contre-courant et transversal- et peut être trouvé dans les locomotives à vapeur. Les déflecteurs sont utilisés pour diriger le flux de fluide, induire des vibrations dans le fluide et soutenir les tubes, tandis que les ailettes peuvent également être utilisées avec des technologies refroidies par air (telles que les refroidisseurs intermédiaires de moteurs à combustion{{4}) pour augmenter la zone de transfert de chaleur.
• Plaque/aileron :Ce type d'échangeur de chaleur utilise des empilements de fines plaques métalliques séparées par des ailettes pour former des niveaux, un peu comme les étages d'un bâtiment. Cependant, chacun de ces « étages » est autonome-et séparé de celui du dessus ou du dessous, créant une série scellée de tubes à travers lesquels les fluides peuvent circuler. Cela crée une grande surface capable d'échanger rapidement de la chaleur tout en garantissant un écoulement du fluide sur toute la surface de transfert de chaleur, empêchant ainsi la stagnation et l'accumulation du fluide. Les plaques peuvent être créées dans différentes tailles, profondeurs et formes, notamment des plaques ondulées, des plaques et cadre, des plaques et coques ou des plaques en spirale. Une turbulence de débit élevée entre les plaques crée un plus grand transfert de chaleur et une diminution de la pression. Ce type d'échangeur de chaleur est utilisé dans des applications telles que les fours à gaz et les chaudières.
• Refroidi par air :Ce type d'échangeur de chaleur se trouve couramment dans les véhicules et autres applications mobiles où l'eau froide n'est pas disponible. Au lieu de deux liquides, les systèmes refroidis par air utilisent l'air frais provenant d'un ventilateur ou un flux d'air provoqué par le mouvement du véhicule lui-même.
• Condenseurs, chaudières et évaporateurs :Ce type d’échange thermique mérite une mention particulière car il fonctionne d’une manière légèrement différente de ceux déjà décrits. Plutôt que d’insérer deux fluides (chaud et froid), ceux-ci utilisent le refroidissement et la condensation d’un gaz chaud sous forme liquide (et vice versa) pour créer un cycle de transfert de chaleur. Il s'agit du processus utilisé par les turbines à vapeur et les générateurs de vapeur, qui utilisent le cycle de vaporisation de l'eau en vapeur et son refroidissement ultérieur en liquide.
• Récupérateurs :Un récupérateur est un échangeur de chaleur conçu pour capter la chaleur qui autrement serait perdue, comme la chaleur évacuée d'un bâtiment. L'air chaud est dirigé vers l'extérieur à travers un canal à côté d'un canal séparé entrant de fluide froid pour créer un contre-courant. C'est ainsi que fonctionne un système de ventilation à récupération de chaleur-, permettant d'aérer un bâtiment avec de l'air frais sans perdre toute sa chaleur provenant de l'air plus chaud sortant.
• Régénérateurs :Ce type d'échangeur de chaleur permet aux fluides entrants et sortants de se déplacer dans le même canal dans des directions opposées à des moments différents. Au fur et à mesure que le fluide chaud s'écoule, il cède une partie de sa chaleur puis, à mesure que le fluide froid entre, il récupère une partie de la chaleur résiduelle qui y était restée. Ce type d'échange thermique est utilisé dans un moteur Stirling, qui utilise un piston pour pousser le gaz piégé entre une source de chaleur (comme un feu) et une zone plus froide, ou « évier », où la chaleur est perdue. Ce type d'échangeur de chaleur réduit les pertes de chaleur dans un système en « régénérant » la chaleur.

Les échangeurs de chaleur sont utilisés pour une large gamme d'applications, tant industrielles que quotidiennes.

Bien que les échangeurs de chaleur soient disponibles dans une gamme de conceptions et de systèmes de débit différents, ils fonctionnent tous de la même manière ; permettant le contact thermique entre un fluide plus chaud et un fluide plus froid (sans réellement se mélanger), de sorte que les deux fluides se réchauffent ou se refroidissent-en conséquence.

Cela améliore l’efficacité des véhicules et autres unités, tout en réduisant les coûts et la consommation d’énergie (et tout impact environnemental associé).

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