L’échangeur de chaleur est un élément essentiel des systèmes de chauffage, de climatisation et de réfrigération. Il assure le transfert de chaleur entre deux fluides, sans que ces derniers ne se mélangent. Ce transfert se fait à travers une paroi, avec des capacités conductrices élevées.
Il existe différents types d’échangeurs de chaleur, utilisés dans différents domaines. Avec notre explication, vous découvrirez tout ce qu’il faut savoir sur l’échangeur de chaleur, de sa fonction principale à son efficacité, en passant par les différents types que l’on peut trouver.
Le rôle de l’échangeur de chaleur
Le rôle de l’échangeur de chaleur est de transférer l’énergie thermique d’un fluide à un autre sans les mélanger. Dans le cas d’un système de chauffage ou de production d’eau chaude, un premier fluide appelé “chauffage”, considéré comme le fluide primaire, est utilisé pour chauffer le fluide secondaire. Pour un bon échange, les deux fluides doivent avoir des températures différentes, c’est pourquoi l’un est chaud et l’autre froid.
Pour réaliser le transfert de chaleur, l’échangeur de chaleur a besoin d’un matériau suffisamment conducteur pour optimiser l’échange, tout en limitant au maximum les pertes de chaleur. Dès que le transfert de chaleur a lieu entre les deux fluides, l’échangeur de chaleur a complètement rempli sa mission.
Il convient de noter que l’échangeur de chaleur ne sert pas uniquement à chauffer un fluide. Selon le système pour lequel il est utilisé, sa fonction est d’assurer le refroidissement du fluide, c’est le cas pour les climatiseurs ou les réfrigérateurs.
Le principe de fonctionnement de l’échangeur de chaleur
Pour fonctionner, l’échangeur de chaleur comporte des réseaux parallèles dans lesquels circulent des fluides à des températures différentes. Ceux-ci sont séparés par une paroi aux capacités conductrices optimales. C’est la différence de température entre les deux fluides qui permet l’échange de chaleur.
En fait, les plus chauds iront naturellement vers les plus froids, se réchauffant immédiatement et perdant des calories. Par conséquent, lorsqu’il entre chaud dans l’échangeur de chaleur, le fluide primaire va chauffer le fluide secondaire qui est froid. On le laisse ensuite refroidir, tandis que le second fluide se réchauffe.
La nature et l’évolution des fluides
Les fluides peuvent être de nature différente selon l’échangeur de chaleur utilisé. Ainsi, il existe des échangeurs de chaleur dont les fluides sont.. :
- Eau
- Un réfrigérant
- Air
- Huile
- Vapeur d’eau
Ces fluides peuvent évoluer différemment d’un échangeur de chaleur à l’autre. Ils peuvent donc circuler :
- Inversement, lorsqu’ils se déplacent dans une direction opposée.
- Les flux parallèles, ou simultanés, lorsque les deux se déplacent dans la même direction.
- Les courants croisés dès qu’ils se déplacent à la fois à contre-courant et à co-courant.
- L’évolution à co-courant n’est pas populaire car les deux autres possibilités sont plus efficaces. Il existe donc de nombreux échangeurs de chaleur dont les fluides se déplacent soit à contre-courant, soit à contre-courant.
Les matériaux les plus couramment utilisés pour les échangeurs de chaleur
Pour que l’échangeur de chaleur fonctionne bien, la capacité conductrice d’un matériau est primordiale. En fait, plus le matériau est conducteur, plus l’échange thermique sera efficace et optimal. Parmi les matériaux les plus couramment utilisés, citons
- Cuivre
- Acier inoxydable
- Aluminium
- Acier
Ces matériaux se retrouvent dans la plupart des radiateurs à inertie fluide, des chaudières ou des chauffe-eau. On les trouve également dans les radiateurs de véhicules ou VMC.
Les différents types d’échangeurs de chaleur
Le fonctionnement d’un échangeur de chaleur est assuré par deux dispositifs principaux :
- Les plaques
- Les tubes
Il en existe d’autres, comme les échangeurs de chaleur à ailettes, à blocs ou en spirale. Toutefois, pour les systèmes résidentiels de chauffage ou de production d’eau chaude, on utilise principalement des échangeurs de chaleur à plaques et des échangeurs de chaleur tubulaires.
En outre, les échangeurs de chaleur ne fonctionnent pas tous avec la même nature de fluide. Ils peuvent donc être de différents types :
- Eau / eau
- Eau / vapeur d’eau
- Huile / eau
- Eau / air
- Huile / air
- Air / air
L’échangeur de chaleur à plaques
Dans le cas de l’échangeur de chaleur à plaques, les fluides se déplacent des deux côtés des plaques, qui sont généralement ondulées. Ce type d’échangeur de chaleur est souvent utilisé car il est très efficace. On le trouve dans les climatiseurs, les réfrigérateurs ou les chaudières, pour la production d’eau chaude sanitaire.
Les plaques utilisées dans ce dispositif peuvent être :
- Articulé
- Soudé
- Montage par fusion
Pour chaque type, il est essentiel que l’étanchéité entre chaque plaque soit maximale afin que des fluides de températures différentes ne se mélangent pas. Ici, ce sont les plaques qui vont servir de conducteur de chaleur, elles sont fabriquées dans l’un des matériaux mentionnés ci-dessus.
L’échangeur de chaleur à plaques peut donc avoir un système eau/eau, mais aussi air/air, comme c’est le cas dans certains systèmes de ventilation mécanique contrôlée (VMC). Dans cet exemple, l’échange de chaleur se fait par flux croisé.
L’échangeur de chaleur tubulaire
L’échangeur de chaleur tubulaire, ou échangeur de chaleur multitube, est constitué de nombreux tubes placés dans une enveloppe. Très résistant à la pression, il est cependant assez encombrant et ne convient pas forcément aux installations domestiques.
C’est pour ces raisons qu’il est utilisé dans des installations puissantes. Par exemple, ce type d’échangeur de chaleur est généralement utilisé dans les tours de refroidissement des centrales nucléaires.
L’échangeur de chaleur à serpentin
L’échangeur de chaleur à serpentin utilise un tube qui est immergé dans l’eau. Le fluide primaire traverse la bobine et chauffe le fluide secondaire dans lequel le tube est immergé.
On le trouve dans les réservoirs d’égalisation avec échangeur ou dans les climatiseurs, par exemple.
Autres types d’échangeurs de chaleur
Les types d’échangeurs de chaleur présentés ci-dessus ne sont pas les seuls disponibles. En fait, il en existe d’autres qui sont destinés à leur propre usage à des fins spécifiques, souvent dédiés à l’industrie. Nous pouvons citer :
- Échangeur à blocs ou à microcanaux utilisé dans les unités extérieures des pompes à chaleur.
- L’échangeur à ailettes, que l’on trouve dans les radiateurs des véhicules.
L’efficacité de l’échangeur de chaleur
Plus les pertes de chaleur sont faibles, plus l’efficacité de l’échangeur de chaleur est élevée. Pour cette raison, il est très important que le matériau utilisé dans la conception soit aussi conducteur que possible.
Par conséquent, en choisissant un système offrant les meilleures performances, les économies d’énergie se font sentir immédiatement. C’est également le cas pour le chauffage, la climatisation ou la production d’eau chaude sanitaire.
Que ce soit pour une chaudière, un chauffe-eau, un ballon de stockage, des radiateurs ou une pompe à chaleur, l’échange de chaleur entre les fluides doit être le meilleur possible.
La température
La différence de température entre les deux fluides circulant dans l’échangeur de chaleur est très importante. En effet, exprimé en Kelvin (K), ou en degrés Celsius (° C), le delta de température (dT), ou écart, doit être suffisant pour assurer l’échange thermique. Sans cet écart, le transfert ne pourrait pas avoir lieu ou serait très difficile et consommerait donc de l’énergie.
Pour chauffer le fluide primaire, le système dans lequel se trouve l’échangeur de chaleur va récupérer l’énergie générée par les résistances électriques ou par les produits de combustion (gaz, etc.).
De quoi dépend son efficacité ?
L’efficacité de l’échangeur de chaleur dépend donc de nombreux critères :
- Le delta de température entre chaque fluide
- Conductivité du matériau utilisé.
- Réduction des pertes de chaleur.
Dans certains systèmes, les échangeurs de chaleur à plaques sont préférables, tandis que dans d’autres, les échangeurs de chaleur tubulaires sont plus efficaces.
Vous savez maintenant tout ce que vous devez savoir sur l’échangeur de chaleur. Grâce à ces informations, vous savez comment fonctionnent les différents systèmes qui permettent l’échange de chaleur, que ce soit pour votre chauffage, votre climatisation ou votre eau chaude sanitaire.
