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Installation solaire thermique

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ? Fonctionnement et types

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ? Fonctionnement et types

Un échangeur de chaleur est un appareil technique dans lequel l' échange de chaleur a lieu entre deux milieux qui ont des températures différentes.

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 possède 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 thermique, 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. Dans le même temps, la surface cède cette énergie thermique au fluide froid sous forme de chaleur.

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 :

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 calandre

Dans l'échangeur à calandre et tubes, l'un des fluides traverse l'intérieur et l'autre l'extérieur des tubes, dans une enceinte spécialement conçue (caisse ou calandre).

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

  • Écoulement parallèle : les fluides chauds et froids s'écoulent dans le même sens.

  • 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.

  • Flux croisé : les fluides s'écoulent à travers un faisceau de tubes perpendiculaires les uns aux autres.

  • 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.

  • Plusieurs étapes : les fluides échangent de la chaleur plusieurs fois.

  • 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 :

  • Contact direct : les interfaces des fluides caloporteurs sont en contact direct les unes avec les autres.

  • Contact indirect : les interfaces fluides sont séparées par une surface qui transmet la chaleur.

Exemples d'utilisation d'échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans les processus technologiques du raffinage du pétrole, de la pétrochimie, de la chimie, de l'énergie nucléaire, de la réfrigération, du gaz et d'autres industries.

Dans les installations d'énergie solaire, l'échangeur de chaleur est utilisé pour transférer la chaleur captée par le rayonnement solaire vers un autre fluide de travail. L'énergie solaire thermique peut être utilisée à la fois pour fournir de l'énergie thermique dans un système de chauffage et dans des centrales thermiques solaires.

D'autres exemples d'échangeurs de chaleur courants sont le radiateur de voiture et le radiateur pour le chauffage domestique.

Auteur :

Date de publication : 13 février 2019
Dernier examen : 9 septembre 2021