Un échangeur de chaleur est un appareil technique dans lequel l'échange de chaleur a lieu entre deux milieux qui ont des températures différentes.
Un échangeur à plaques solaire est un dispositif conçu spécifiquement pour effectuer cette tâche dans un système solaire thermique. L'eau froide - un fluide caloporteur - pénètre dans le capteur solaire et le rayonnement solaire frappe la surface des capteurs, chauffant l'eau qui les traverse. Ce fluide est spécifiquement traité pour augmenter son efficacité énergétique et circule dans un circuit fermé, le circuit primaire.
Lorsque le fluide primaire est chaud, il se dirige vers l'échangeur solaire pour transférer son énergie thermique au circuit secondaire sans se mélanger. Le fluide secondaire est de l'eau ordinaire qui peut être stockée dans un réservoir isolé. Parfois, l'eau chaude est utilisée pour alimenter un chauffe-eau solaire ou dans une piscine climatisée.
Comment fonctionne un échangeur de chaleur ?
Le fonctionnement d'un échangeur de chaleur dépend du type d'échangeur. Cependant, le principe de fonctionnement est le même.
L’échangeur thermique comporte deux entrées et deux sorties par lesquelles entrent et sortent deux fluides à des températures différentes. Les deux fluides entrent en contact avec une surface à fort transfert de chaleur, chacun d'une part, sans se mélanger.
Le fluide plus chaud cède de la chaleur à la surface, augmentant la température et son énergie interne. En même temps, la surface cède cette énergie thermique au fluide froid sous forme de chaleur.
Les échangeurs de chaleur écoénergétiques sont conçus pour réduire les pertes de charges pendant les transferts thermiques, en se concentrant principalement sur les points suivantes :
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Réduction de la surface d'échange pour réduire le contact avec le flux d'air.
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Envelopper avec des matériaux isolants pour réduire le gaspillage de chaleur.
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La capacité calorifique des fluides.
Quelle est la loi de l'échange thermique ?
La loi des échanges thermiques est l'ensemble des lois de la thermodynamique qui régulent le transfert de chaleur entre deux éléments :
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Si nous avons deux éléments à une écart de température qui sont en contact avec un autre élément. L'énergie passe d'un élément à l'autre jusqu'à ce que les températures entre les deux fluides soit égale (première loi de la thermodynamique).
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La chaleur ne peut s'écouler que d'un élément chaud vers un élément plus froid (deuxième loi de la thermodynamique).
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Le taux de transfert de chaleur est proportionnel à la différence de température.
Types d'échangeurs de chaleur
Selon la conception des échangeurs, les principaux types sont :
1. Échangeur de chaleur à double tube (ou "tubes concentriques")
Les fluides circulent dans deux tubes coaxiaux, un à l'intérieur et un à l'extérieur. Dans cet échangeur, le fluide à plus haute température circule dans le conduit interne, cédant de la chaleur au fluide à plus basse température qui l'entoure. Ils sont également appelés échangeurs à double enveloppe.
2. Échangeur de chaleur à tube et à calandre
Dans l'échangeur à tube et à, l'un des fluides traverse l'intérieur et l'autre l'extérieur des tubes, dans une enceinte spécialement conçue (caisse ou calandre). Un cas particulier est l’échangeur tubulaire.
3. Échangeur de chaleur hélicoïdal
Il se compose d'un tube de forme hélicoïdale ou en serpentin dans lequel s'écoule le fluide de traitement, qui est refroidi à travers un film d'eau qui s'égoutte par le haut.
4. Échangeurs de chaleur à plaques
Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués d'un ensemble de plaques dans lesquelles les fluides circulent dans des canaux alternés, à contre-courant.
Un cas particulier est l'échangeur de chaleur à plaques et joints. Dans ce type d'échangeur, les plaques ont les canaux obturés par des joints en élastomère et le flux s'écoule dans des canaux alternatifs. Le pack de plaques se monte entre un cadre et une plaque de pression boulonnée.
5. Échangeur en spirale
Les deux fluides passent aux côtés opposés d'une nappe généralement lisse, dans des chambres uniques de grande longueur, enroulées en spirale.
6. Échangeur pour graphite ou autre matériau
Les courants circulent dans des trous cylindriques, généralement disposés orthogonalement des deux côtés ; échangeurs à surface étendue.
Autres types d'échangeurs de chaleur
Il existe d'autres classifications d’échangeurs :
Selon le sens d'écoulement
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Écoulement parallèle : les fluides chauds et froids s'écoulent dans le même sens.
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Échangeur à contre-courant : les fluides entrent par des extrémités différentes et circulent dans le même sens mais dans des sens opposés. Dans ce cas, la récupération de chaleur est beaucoup plus efficace qu'en flux parallèle.
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Flux croisé : les fluides s'écoulent à travers un faisceau de tubes perpendiculaires les uns aux autres.
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Monopasse : dans ce type d'échangeur, le fluide n'échange de chaleur qu'une seule fois. Parfois, le transfert d'énergie thermique n'est pas suffisant et deux ou plusieurs échangeurs sont combinés en série.
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Plusieurs étapes : les fluides échangent de la chaleur plusieurs fois.
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Régénérative et non régénérative : que le même fluide soit utilisé ou non.
Selon le type de contact
Selon la façon dont les fluides interagissent, on distingue les échangeurs de chaleur suivants :
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Contact direct : les interfaces des fluides caloporteurs sont en contact direct les unes avec les autres.
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Contact indirect : les interfaces fluides sont séparées par une surface qui transmet la chaleur.