Généralités sur les échangeurs thermiques

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En froid comme en climatisation les échangeurs de quelque nature qu'il soit font partie intégrante de nos installations.
Citons les évaporateurs, les condenseurs, les tours de refroidissement, les systèmes de récupération d'énergie, etc.

Tout d'abord il faut préciser que dans cet article quand je parle de transfert thermique ou d'énergie thermique, je ne parle pas de température, mais plutôt de flux d'énergie thermique.
Bien entendu, pour qu'il y ait transfert d'énergie entre deux éléments de même nature ou de nature différente, il faudra une différence de température, plus l'écart de température est important entre ces fluides ( eau, air, etc) plus l'énergie transférée sera importante.
De manière spontanée l'énergie s'écoule toujours du corps chaud vers le corps froid, ainsi deux corps qui ont la même température n'échangent donc pas d'énergie.

Fonction, transfert énergie, calcul des échangeurs

La fonction principale d'un échangeur est de permettre un transfert d'énergie entre deux ou plusieurs fluides à des températures différentes et ceci dans les meilleures conditions possible tout en réduisant les pertes, les fluides sont séparés par une surface de transfert généralement métallique.
Les processus physiques des échangeurs de chaleur sont connus,(voir cet article)

  • la conduction : transfert d'énergie dans un corps solide (paroi de l'échangeur) par agitation moléculaire
  • la convection : transfert d'énergie dans un corps liquide ou gazeux par différence de température,dépend fortement du type de fluide utilisés.
  • le rayonnement : échange d'énergie qui se fait sans contact dans le registre de l'infrarouge, exemple le rayonnement solaire.

Les modes de circulation sont importants, car ils conditionnent l'efficacité du transfert, les trois modes de circulation des échangeurs sont :

  • Circulation à contre-courant : c'est-à-dire deux fluides circulant parallèlement en sens opposés, entrants et sortants par des extrémités opposées
  • Circulation courant croisée : circulation perpendiculaire entre deux fluides.
  • Circulation co-courant : circulation parallèle et dans le même sens, les deux fluides sortent et entrent du même côté.

Transfert diphasique

Les échanges diphasiques sont bien connus du frigoriste puisqu'il signifie que ces échanges se font par changement d'état.
La condensation (liquide, gaz) et l'évaporation (gaz, liquide) sont donc deux transferts d'énergie diphasique.

echangeur diphasique

Transfert monophasique

Ici les transferts se font sans changement de phase, ces échanges se font que sous forme de chaleur sensible c'est-à-dire avec élévation ou abaissement de la température.

echangeur monophasique

Critères de performance d’un échangeur

  • La surface d’échange doit être aussi importante que possible.
  • Les pertes de charge devront être réduites au maximum.
  • L’efficacité d’un échangeur passe par un transfert d'énergie optimale et la distribution des flux doit être uniforme.

Calcul des échangeurs

Le calcul des échangeurs se fait sur la base d'un calcul de bilan thermique qui doit prendre en compte les pertes de charge, les débits masse de chaque fluide, les températures d'entrée et de sortie des fluides, des coefficients d'échanges thermiques des 2 fluides, etc.

Deux méthodes de calcul existent :

  1. Méthode DTLM (Différence de Température Logarithmique Moyenne), basée sur 4 températures qui doivent être connues.
  2. Méthode NUT (Nombre d'unité de tranfert), méthode qui s'appuie sur la notion d'efficacité.

Formule simple de calcul du flux de chaleur échangé :

P = K S ΔT
K : est le coefficient de transmission thermique surfacique
S : la surface d’échange.  
ΔT : représente l’écart de température moyen entre deux fluides. 

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Commentaires   

+2 #1 JACQUES 13-09-2015 18:31
Bonne introduction sur les échangeurs de chaleur !!
Sujet vaste qui mérite plusieurs articles, le calcul du dimensionnement des échangeurs de flux thermiques n'est pas facile d'ailleurs !!
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