Conception de l’échangeur de chaleur
Nous utilisons l’échangeur de chaleur tous les jours dans nos maisons, lieux de travail et véhicules de transport sans même le savoir. La conception de l’échangeur de chaleur est un dispositif de transfert thermique qui échange (d’où leur nom) l’énergie thermique d’une source et la transfère à une autre à des températures différentes. Dans la plupart des conceptions d’échangeurs de chaleur, les fluides ou gaz utilisés pour transférer la chaleur sont séparés et ne se mélangent pas.
Les échangeurs de chaleur existent depuis de nombreuses années et sont couramment utilisés dans les systèmes de chauffage thermique conventionnels ainsi que dans les systèmes de climatisation, les équipements de réfrigération, le transport automobile et maintenant dans les systèmes de récupération de chaleur des énergies renouvelables, tels que les panneaux thermiques solaires pour le chauffage de piscine, géothermique et d’autres types d’applications d’énergie thermique solaire.
Mais les types d’échangeurs de chaleur les plus courants que nous voyons et utilisons quotidiennement comprennent les radiateurs de chauffage central à domicile, les radiateurs automobiles, les condensateurs et évaporateurs de CVC, les boîtiers arrière de poêle à bois et les refroidisseurs d’huile, etc.
L’utilisation des échangeurs de chaleur dans notre vie quotidienne, grande ou petite, est infinie. Si vous avez déjà utilisé une bouteille d’eau chaude dans le lit la nuit pour réchauffer vos pieds, vous savez très bien quels avantages les échangeurs de chaleur peuvent apporter.
Alors, comment fonctionne un échangeur de chaleur ? L’échangeur de chaleur est une masse passive ondulée de métal qui transfère la chaleur d’un fluide de travail à un autre.
Le fluide thermique primaire absorbe la chaleur d’une source de chaleur, que ce soit un brûleur, une chaudière ou une autre forme de dispositif de chauffage, puis circule à travers l’échangeur de chaleur où la chaleur est retirée du fluide (soit de l’eau, soit un gaz) et transférée à un fluide secondaire, à nouveau soit de l’eau soit un gaz, qui circule et dissipe la chaleur (puits de chaleur) dans l’habitat ou l’atmosphère.
Les systèmes de chauffage d’eau solaire utilisent la technologie des échangeurs de chaleur pour transférer la chaleur du soleil dans l’eau circulante, de nombreux systèmes indirects utilisant un échangeur de chaleur séparé des collecteurs solaires. Ces types d’échangeurs de chaleur sont ce que l’on appelle communément des échangeurs de chaleur eau-eau, car les fluides primaire et secondaire sont de l’eau, éventuellement mélangée à un additif anticorrosion.
Les échangeurs de chaleur à air sont un autre type de conception d’échangeur trouvée dans les applications automobiles pour refroidir le moteur. Le fluide primaire est de l’eau mais le fluide secondaire est de l’air soufflé à travers les ailettes de l’échangeur de chaleur avec des ventilateurs. Normalement, il n’y a pas de pièces mobiles dans l’échangeur de chaleur, seulement des ventilateurs extérieurs pour faire circuler l’air.
Il existe de nombreuses conceptions d’échangeurs de chaleur disponibles, y compris : tubulaires, double-tube, plaques plates, spiralées et en bobine. Le choix d’un type de conception d’échangeur dépend de nombreux facteurs. La plupart des échangeurs de chaleur sont classés selon leur construction, leur processus de transfert de chaleur et leur compacité de surface. C’est-à-dire la quantité de surface disponible pour dissiper ou transférer de la chaleur par rapport à la taille physique.
Parmi les conceptions et types d’échangeur de chaleur les plus courants figurent :
Types de conception d’échangeur de chaleur
- 1. Conception d’échangeur de chaleur tubulaire et à coques
- 2. Conception d’échangeur à double tube ou en épingle à cheveux
- 3. Échangeurs à plaques plates et à ailettes
- 4. Radiateurs et échangeurs solaires
- 5. Échangeurs de chaleur spiralés
- 6. Refroidisseurs d’air, refroidisseurs et condensateurs
- 7. Tours de refroidissement humides
Conceptions d’échangeurs de chaleur tubulaires
Les échangeurs de chaleur tubulaires sont de loin la conception la plus simple. Le fluide primaire circule à travers des tubes droits ou concentriques sous la forme d’une conception de tube en U. Ces tubes primaires sont enfermés dans un tube extérieur scellé qui fait circuler le fluide secondaire.
Leur application habituelle se trouve dans les petites applications de transfert d’eau chaude à eau. L’avantage de ce type de conception est sa flexibilité, car les échangeurs de chaleur tubulaires peuvent être ajoutés ou retirés selon les besoins. De plus, un nombre quelconque d’échangeurs de chaleur peut être connecté ensemble en série ou en parallèle.
Conception d’échangeur de chaleur tubulaire – Flux double
Bien que très simple et basique, l’efficacité de ce type de conception d’échangeur de chaleur en passage simple peut être augmentée en ayant le flux directionnel du fluide secondaire dans le sens opposé au flux primaire afin d’améliorer l’absorption de chaleur et l’efficacité. Si les fluides primaire et secondaire circulent dans le même sens, on parle de « flux parallèle ».
Si les fluides primaire et secondaire circulent en sens opposé, on parle de « flux contre-courant ». De plus, le tube intérieur peut être soit un tube nu simple, équipé d’ailettes pour augmenter la surface, soit une conception à tubes multiples comme montré.
Conceptions d’échangeurs à plaques plates
Les échangeurs de chaleur à plaques plates représentent un autre type courant de conception qui offrent des rendements améliorés pour leur taille par rapport aux conceptions tubulaires. Ces types d’échangeurs de chaleur fournissent une surface de transfert de chaleur relativement grande dans un petit espace et peuvent également fonctionner à des pressions de fluide plus élevées.
En général, ils sont constitués de nombreuses plaques métalliques minces assemblées ou « empilées » ensemble, avec une petite quantité d’espace entre chaque plaque pour permettre la circulation du fluide de transfert de chaleur, extrayant la chaleur des plaques au fur et à mesure qu’il s’écoule. Ces plaques individuelles sont généralement jointes à l’aide de joints en caoutchouc et de scellants pour éviter les fuites et diriger les fluides thermiques à travers des passages de flux alternatifs. D’autres types d’échangeurs à plaques plates incluent des conceptions d’échangeurs brasés ou soudés.
Parce que la surface des échangeurs à plaques plates est grande, cela permet un contact maximal entre les deux fluides de transfert de chaleur, ce qui offre un transfert de chaleur efficace et performant. Tout comme la conception tubulaire, l’écoulement liquide des deux fluides de transfert de chaleur peut être soit en flux parallèle, soit en sens inverse, chaque plaque ayant quatre ouvertures servant de ports d’entrée et de sortie.
Les échangeurs à ailettes plates et tubulaires sont un autre type plus courant d’échangeur de chaleur thermique classé comme des « échangeurs de chaleur compacts ».
Ils sont constitués d’ailettes métalliques simples, ondulées ou à persiennes qui sont liées, brasées ou soudées à une série de tubes plats, ronds ou rectangulaires. Ce type de conception d’échangeur de chaleur est utilisé depuis de nombreuses années soit avec des ailettes individuelles, soit des ailettes à plaques dans une grande variété d’applications.
Les échangeurs de chaleur tirent leur nom du fait que leur construction résulte en une très grande surface thermique dans une petite taille physique. La compacité de l’échangeur est généralement donnée en m2/m3 de taille physique, avec des densités de surface supérieures à 1000m2/m3 devenant courantes.
Les échangeurs de chaleur compacts sont couramment utilisés comme radiateurs de refroidissement d’eau et d’huile pour automobiles, dans les applications de climatisation, la récupération de chaleur des processus et des déchets, la conversion de l’énergie thermique océanique (OTEC), et les systèmes géothermiques et thermiques solaires. En fait, partout où il y a besoin d’un échangeur de chaleur léger, compact, économe en espace et économique.
Nous avons constaté que l’échangeur de chaleur est un dispositif mécanique utilisé pour transférer de l’énergie thermique entre deux ou plusieurs fluides en circulation à différentes températures.
Ces fluides sont généralement séparés par une certaine forme de surface de transfert de chaleur, qu’elle soit tubulaire, plate ou à ailettes. Les échangeurs de chaleur sont généralement classés selon leur construction, leur compacité et la manière dont ils transfèrent la chaleur des fluides primaires aux fluides secondaires.
Les échangeurs de chaleur sont couramment utilisés dans les domaines du transport, de la CVC, des processus, de l’énergie, de la récupération de chaleur, des énergies renouvelables et pour des applications de refroidissement solaire. Les types d’échangeurs de chaleur couramment utilisés dans notre quotidien incluent les radiateurs et refroidisseurs automobiles, ainsi que les évaporateurs et condensateurs géothermiques et de climatisation.
La technologie et la conception des échangeurs de chaleur ont beaucoup évolué au fil des ans, et il y a eu des progrès constants pour réduire la taille et la compacité des radiateurs, refroidisseurs, évaporateurs et condensateurs afin d’améliorer les rendements de conversion.
Les échangeurs de chaleur compacts deviennent désormais plus standard et possèdent une grande densité de surface de transfert de chaleur par unité de volume supérieure à 800m2/m3. Dans les conceptions d’échangeurs compacts, les deux fluides se déplacent généralement perpendiculairement l’un à l’autre, le fluide primaire étant un liquide et le fluide secondaire étant de l’air forcé.
Bien sûr, les performances thermiques de tout échangeur de chaleur se détérioreront avec le temps en raison de l’accumulation de saleté et de dépôts, soit à l’extérieur sur les surfaces de transfert de chaleur, soit à l’intérieur des tubes eux-mêmes. Ces couches de dépôts représentent une résistance supplémentaire au transfert de chaleur, donc un nettoyage et un entretien périodiques sont parfois nécessaires pour maintenir l’échangeur de chaleur en fonctionnement à son efficacité maximale.