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Échangeur de chaleur

Échangeur de chaleur

En génie, un échangeur de chaleur (ou simplement un échangeur) est un appareil dans lequel de l'énergie thermique est échangée entre deux fluides ayant des températures différentes.

Du point de vue thermodynamique, les échangeurs de chaleur peuvent être assimilés à des systèmes ouverts qui fonctionnent sans échange de travail; autrement dit, ils échangent de la matière et de la chaleur avec l'extérieur, mais ils n'échangent pas de travail.

Dans l'industrie solaire thermique, l'échangeur de chaleur sert à transférer la chaleur captée par le rayonnement solaire provenant du fluide qui circule à travers les capteurs solaires vers un autre fluide. Cet autre fluide est celui qui circulera dans le système de chauffage ou sera stocké directement dans un accumulateur.

Bien qu'ils soient largement utilisés dans l'industrie pour contrôler la température du processus, de nombreux exemples d'échangeurs de chaleur se retrouvent dans la vie quotidienne. Le radiateur de voiture et le chauffage pour le chauffage domestique sont des exemples d'échangeurs de chaleur courants.

Classification des échangeurs de chaleur

Il existe différents critères de classification pour les échangeurs de chaleur en fonction de différentes caractéristiques.

Classification par contact entre flux

En fonction du mode de contact entre les deux courants, les échangeurs de chaleur peuvent être:

  • en contact direct: si les interfaces des fluides qui échangent de la chaleur sont en contact direct les unes avec les autres; Les deux courants échangent de l'énergie thermique et de la matière, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas séparés par des murs.
  • en contact indirect: si les fluides ne sont pas en contact direct les uns avec les autres; cette possibilité se présente par exemple dans le cas des échangeurs de surface, dans lesquels les deux fluides sont séparés par une surface traversée par le flux de chaleur.

Dans la grande majorité des cas, les corps froids et chauds qui circulent dans un échangeur de chaleur sont fluides (c'est-à-dire dans un liquide, un gaz ou une vapeur).

Classification des échangeurs de surface par modèle de construction

En fonction de la géométrie de l'échangeur, il peut être défini (en citant uniquement les cas principaux):

Echangeurs de chaleur tubulaires

  • Échangeur de chaleur à double tube (ou "tubes concentriques"): les fluides s'écoulent dans deux tubes coaxiaux, l'un à l'intérieur (tube ou tube) et l'autre à l'extérieur (anneau ou chemise).
  • Échangeur de chaleur à calandre et à tubes: l'un des fluides traverse l'intérieur des tubes (généralement de section circulaire) et l'autre, à l'extérieur des tubes, dans une chambre (boîtier) spécialement conçue à cet effet.
  • Échangeur de chaleur trombone (ou échangeur de chaleur à goutte-à-goutte): consiste en un tube hélicoïdal ou en serpentin à l'intérieur duquel circule le fluide de traitement refroidi à travers un film d'eau s'écoulant par le haut
  • Échangeur de chaleur à surface raclée: les tubes de ces échangeurs ont des pales rotatives à l'intérieur qui rejettent la surface interne du tube;
  • Échangeur de chaleur à surface immergée. Bobine pour le chauffage ou le refroidissement de fluides.
  • Tuyaux à l'intérieur des fours: les tubes sont chauffés par irradiation et échangent de la chaleur avec les courants qui les traversent.
  • Échangeur de chaleur à plaques: les deux fluides recouvrent les côtés opposés d'une feuille dans des chambres alternées et isolées. La géométrie de ces échangeurs est similaire à celle du filtre-presse. Un cas particulier est l'échangeur à liaison par rouleau, dans lequel les canaux d'un côté sont internes à une feuille monobloc, tandis que de l'autre côté, il y a un fluide, généralement fixe.
  • Échangeur en spirale: les deux fluides passent sur les côtés opposés d'une feuille, généralement lisses, dans des chambres simples longues, enroulées en spirale.
  • Échangeur de graphite ou autre matériau: les courants circulent dans des trous cylindriques, généralement disposés orthogonalement des deux côtés; Échangeurs de chaleur à surface élargie.
  • Équipement à gaine.
  • Type régénératif: les courants sont envoyés alternativement à l'intérieur d'une chambre en brique inerte (régénérateur Cowper), ou en particulier d'unités rotatives en tôle (échangeur de Ljungström).

Échangeurs de chaleur à plaques

Classification par compacité

La "compacité" d'un échangeur thermique est représentée par la "densité surfacique" (exprimée en m 2 / m 3 ), qui est égale au rapport entre la surface de la surface d'échange et le volume de l'échangeur thermique . la chaleur

Dans le cas où l'échange de chaleur a lieu entre un gaz et un autre fluide, en fonction de la valeur de la densité de la surface, les échangeurs sont divisés en:

  • Échangeurs de chaleur compacts: d'une densité surfacique supérieure à 700 m 2 / m 3 ;
  • Echangeurs de chaleur non compacts: d'une densité surfacique inférieure à 700 m 2 / m 3 .

Dans le cas où l'échange a lieu entre deux liquides ou s'il est associé à un changement de phase, on définit:

  • Échangeurs de chaleur compacts: d'une densité surfacique supérieure à 400 m 2 / m 3 ;
  • Échangeurs de chaleur non compacts: d'une densité surfacique inférieure à 400 m 2 / m 3 .

Classification des échangeurs thermodynamiques par type de processus

Selon le procédé pour lequel ils sont utilisés, les échangeurs peuvent être de type sensible (échange de chaleur sensible uniquement), plus froid (un fluide de processus est refroidi par un fluide caloporteur, un réchauffeur (un fluide de traitement chauffé par un fluide de service), surchauffeur, chaudière (un liquide est bouilli), évaporateur, condenseur (un aériforme est condensé), collecteur.

Parfois, le terme "échangeur" ​​est utilisé avec un sens plus étroit, faisant référence au cas spécifique dans lequel l'équipement a pour objet l'échange thermodynamique entre deux fluides de traitement, il est appelé "refroidisseur" et "réchauffeur" lorsqu'un des Deux flux sont constitués d'un fluide de service, l'objectif est donc de refroidir ou de chauffer un fluide de traitement.

Classification par profil thermique

Profils de température pour échange à contre-courant et échange dans le même courant.

La plupart des processus thermodynamiques d'échange de chaleur ne sont pas isothermiques, c'est-à-dire qu'ils se produisent à une température variable. En d'autres termes, un corps entre dans une température basse et se réchauffe. L'autre entre à haute température et se refroidit. Dans les cas les plus simples, l'échange thermique entre les deux fluides peut s'effectuer principalement de trois manières:

  • Échange de courant équitable: les fluides se déplacent dans des chemins parallèles le long de la même ligne.
  • Échange à contre-courant: les fluides se déplacent dans des trajectoires parallèles, mais dans des directions opposées.
  • Échange de courant croisé: les fluides se déplacent suivant des trajectoires orthogonales.

Seulement dans le cas d'un échange à contre-courant, la température de sortie du fluide froid peut être supérieure à la température de sortie du fluide chaud. Dans le cas d'un échange de courant équitable, les températures des deux fluides se rapprochent lors du croisement de l'échangeur thermique et peuvent théoriquement atteindre la même valeur (égale à la température d'équilibre des deux fluides) si La surface d'échange a une surface infinie: il s'agit évidemment d'une condition limitante, inaccessible en pratique.

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Dernier examen: 13 février 2019

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