Échangeur thermique

Écrit par les experts Ooreka

Flavio Mollicone / Getty Images

Les échangeurs thermiques sont des éléments essentiels du domaine du chauffage et de la climatisation.

Leur fonctionnement, les différents types, ce que vous devez savoir : on vous dit tout.

Échangeur thermique : définition

Un échangeur thermique est l'élément permettant le transfert de chaleur entre deux fluides au travers d'une paroi, donc sans les mélanger.

Le matériau composant l'échangeur thermique doit être le plus conducteur possible afin de limiter les pertes thermiques et favoriser l'échange.

Pour que l'échange soit possible, les deux fluides devront avoir une température différente : on parle d'écart de température, de delta de température (dT) généralement exprimé en Kelvin (K) ou en degrés Celsius (°C).

Fonctionnement d'un échangeur thermique

Un échangeur thermique ne mélange pas les deux fluides, il permet simplement le transfert de chaleur entre les deux. Pour cela, les deux fluides sont séparés par une paroi très conductrice (cuivre, aluminium, inox, acier). L'écart de température entre les deux fluides permettra le transfert de chaleur, la chaleur allant toujours du plus chaud vers le plus froid. De ce fait, au niveau de l'échangeur, le premier fluide entre chaud et ressort refroidi, tandis que le second fluide entre froid et ressort plus chaud.

Généralement, dans un échangeur thermique, les fluides évoluent à contre-courant (l'un entre haut et l'autre entre en bas) ou à courant croisé (l'un avance horizontalement, l'autre verticalement). Ce phénomène permet d'améliorer le transfert de chaleur par rapport à une évolution à co-courant (les deux fluides avancent dans le même sens).

La qualité du transfert de chaleur dépend donc de plusieurs caractéristiques : le type de paroi, le type de fluide, la vitesse du fluide (plus exactement s'il est en régime laminaire ou turbulent), l'écart de température entre les deux fluides. Pour améliorer l'échange, certains échangeurs augmentent la vitesse du fluide, par exemple en utilisant des ventilateurs pour augmenter la vitesse de l'air. On parle de convection forcée. Pour un radiateur classique, sans ventilateur, on parlera de convection naturelle.

Types d'échangeur thermique

Il existe de nombreux types d'échangeurs thermiques. Nous les distinguerons ici en fonction du type de médium, par exemple échangeur à air ou à eau et en donnerons quelques exemples d'utilisation.

Échangeurs à air

Batterie tube ailette : cet échangeur très utilisé est composé d'un faisceau de tube (souvent en cuivre), relié par des ailettes (cuivre ou aluminium). Ce type d'échangeur se retrouve par exemple dans les chaudières pour récupérer la chaleur du brûleur, de l'eau circulant dans les tubes. Les radiateurs à eau fonctionnent aussi sur le même principe.

Batterie tube ailette ventilée : même principe que le précédent, mais fonctionne en convection forcée grâce au ventilateur. C'est par exemple l'échangeur présent dans l'unité intérieure ou extérieure d'un climatiseur.

Échangeur à plaques : il est destiné à récupérer la chaleur entre deux airs ou deux gaz sans les mélanger. Sa construction permet aux gaz de se croiser entre plusieurs plaques. L'évolution se fait à courant croisé. C'est généralement l'échangeur que l'on retrouve dans une VMC double flux ou tout type de récupérateur de chaleur.

Échangeur micro-cannaux : le principe est identique à la batterie tube ailette à l'exception que pour celui-ci, l'échangeur est intégral, tout aluminium. Les tubes sont remplacés par de micro-cannaux : cette différence permet de limiter les quantités de fluide côté intérieur, réduire le poids et le coût de fabrication. Cet échangeur se retrouve souvent dans l'unité extérieure d'une pompe à chaleur ou encore dans une voiture juste avant le radiateur, c'est le condenseur du circuit de climatisation du véhicule.

Échangeurs à eau

Échangeur à plaques : chaque fluide évolue d'un côté d'une plaque, le fluide est donc pris en sandwich entre deux plaques le séparant d'un autre fluide. Ces échangeurs possèdent de très bonnes performances. Ils sont utilisés dans de nombreux domaines : chauffage, climatisation, réfrigération, traitement des eaux. Par exemple, on peut en retrouver dans les chaudières pour séparer l'eau de chauffage de l'eau chaude sanitaire. Cet échangeur peut être à plaques brasées (on ne peut pas le démonter mais il possède une très bonne résistance à la pression) ou à plaques et joints (il peut être démonté pour être nettoyé mais sa résistance à la pression est plus faible).

Échangeur de type serpentin : il s'agit d'un tube en forme de serpentin que l'on va immerger dans un liquide. De par sa simplicité, il est souvent utilisé dans les ballons tampon avec échangeur ou encore dans des systèmes de récupération de chaleur sur eaux grises.

Échangeur multitubulaire : réservé aux grosses puissances, cet échangeur se compose d'un faisceau de tube (simple ou multipass) immergé dans un cylindre. On retrouve ces échangeurs dans les groupes de climatisation à eau glacée, par exemple.

À noter : il existe des échangeurs pour tous les cas possibles, fonctionnant avec tout type de fluide, tout régime de température. Un exemple particulier est celui des centrales nucléaires françaises, qui possèdent de gros échangeurs multitubulaires pour leur refroidissement.

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