Comprendre comment le transfert de chaleur s'effectue de manière efficace est essentiel dans de nombreuses applications commerciales et résidentielles. Au cœur de ce processus se trouve l'échangeur de chaleur, qui facilite l'échange d'énergie thermique entre les fluides. Que ce soit pour chauffer nos maisons en hiver, les refroidir en été, chauffer nos piscines ou récupérer de la chaleur à partir des eaux grises, les échangeurs de chaleur jouent un rôle important dans le processus.
Dans cet article, nous explorerons en détail les aspects suivants, en mettant en lumière comment les échangeurs de chaleur permettent une gestion thermique efficace. Nous examinerons différents types d'échangeurs de chaleur, les matériaux utilisés dans leur construction, les considérations pour les dimensionner de manière appropriée, ainsi que leurs diverses applications.
CLIQUER ICI POUR MAGASINER LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR
Principe du transfert de chaleur
La théorie du transfert de chaleur explore les principes fondamentaux et les mécanismes sous-jacents à l'échange d'énergie thermique entre différents objets ou zones. Selon les lois de la physique, l'énergie à l'intérieur d'un système tend naturellement vers l'équilibre, ce qui entraîne le flux d'énergie motrice jusqu'à l'atteinte d'un état d'équilibre. En ce qui concerne le transfert de chaleur, cela implique le déplacement de la chaleur d'une source ou d'un fluide plus chaud vers un autre plus froid, jusqu'à ce que l'uniformité de la température soit atteinte.
Le transfert de chaleur d'un milieu à un autre, ou d'un fluide à un autre, est régi par plusieurs règles fondamentales :
- La chaleur est toujours transférée d'un milieu chaud vers un milieu froid.
- Il doit toujours exister une différence de température entre les milieux.
- La chaleur perdue par le milieu chaud est égale à la quantité de chaleur gagnée par le milieu froid, à l'exception des pertes vers l'environnement.
Il existe trois méthodes par lesquelles la chaleur peut être transférée :
- La conduction
- La convection
- Le rayonnement
Conduction
La conduction est le transfert de chaleur par contact direct entre des corps ou à travers le même corps. Dans la conduction, il n'y a pas de transfert de matière, seulement d'énergie.
À des températures plus élevées, les molécules montrent une vibration ou un mouvement accru. Lorsque ces molécules entrent en contact avec des molécules adjacentes à une température plus basse, elles transfèrent une partie de leur énergie. Ce transfert d'énergie se produit à l'intérieur du même objet ou entre deux objets en contact.
Convection
Convection – L'énergie est transférée en mélangeant une partie d'un milieu avec une autre partie. La chaleur est transférée par l'interchange de molécules chaudes et froides. Cela se produit lorsqu’une surface à une certaine température est en contact avec un fluide se déplaçant à une température différente.
Il existe deux façons par lesquelles la convection peut se produire :
1. Convection naturelle : Le mouvement du fluide est entièrement dû aux différences de densité causées par les variations de température du fluide entre deux points.
2. Convection forcée : Le mouvement du fluide est dû à un facteur externe. Le transfert de chaleur est meilleur avec la convection forcée, car le mouvement - la vitesse - est beaucoup plus élevé, grâce à ce facteur externe (par exemple, une pompe, un ventilateur, le vent ou un agitateur), en plus de la différence de densité.
En résumé, la convection naturelle se produit naturellement en raison des différences de densité thermique dans le fluide, tandis que la convection forcée est provoquée par une action externe qui accélère le mouvement du fluide, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur.
Radiation
Radiation – Le transfert de chaleur via des ondes électromagnétiques. On pourrait le qualifier de transport moléculaire, car l'énergie est produite par des changements dans les configurations électroniques des molécules ou atomes constitutifs et transportée par des ondes électromagnétiques ou des photons. Il n'y a pas de contact direct entre les deux milieux et l'intermédiaire ou l'interface ne participe pas aux fonctions d'échange ; dans la plupart des cas, il s'agit d'air, bien qu'il y ait également un transfert de chaleur dans le vide.
| Conduction | Convection | Radiation |
| L'énergie est transférée par contact direct | Se produit dans les gaz et les liquides | L'énergie est transférée par des ondes électromagnétiques telles que la lumière, les micro-ondes et le rayonnement infrarouge |
| Le flux d'énergie va directement de l'objet le plus chaud à l'objet le plus froid. | Le déplacement d'un grand nombre de particules dans la même direction. | Tous les objets rayonnent de l'énergie. |
| Peut se produire à l'intérieur d'un seul objet. | Se produit en raison de la différence de densité. | Peut transférer de l'énergie à travers l'espace vide. |
| Se poursuit jusqu'à ce que les températures des objets soient égales. | Le cycle se produit tant que des différences de température existent. |
Échangeurs de chaleur
Comprendre les principes du transfert de chaleur constitue la base pour comprendre le fonctionnement d'un échangeur de chaleur.
Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs conçus pour transférer efficacement la chaleur entre deux fluides ou plus, ou entre un fluide et une surface solide, tout en les maintenant physiquement séparés. Notamment, le terme "fluide" englobe les substances sous forme liquide, gazeuse ou vapeur. Ils fonctionnent sur la base des principes de la thermodynamique et de la dynamique des fluides, utilisant la conduction, la convection et parfois le rayonnement pour faciliter l'échange d'énergie thermique.
Les échangeurs de chaleur existent sous différentes conceptions et configurations, mais leur principe fondamental demeure le transfert de chaleur d'un fluide chaud ou d'une surface chaude vers un fluide plus froid.
.
Types d'échangeurs de chaleur
Il existe plusieurs types courants d'échangeurs de chaleur, chacun conçu pour répondre à des applications spécifiques en fonction de facteurs tels que les fluides impliqués, les contraintes d'espace, les exigences d'efficacité et les conditions de fonctionnement. Voici quelques-uns des types les plus répandus :
Échangeur de chaleur coque et tube
L'échangeur de chaleur coque et tube se compose d'une série de tubes logés à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique. Un fluide circule à travers les tubes (côté tube), tandis que l'autre circule autour des tubes à l'intérieur de l'enveloppe (côté coquille), permettant un transfert de chaleur efficace. Ce type d'échangeur de chaleur est largement utilisé dans les processus industriels, la production d'énergie et les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (HVAC).
Cliquer ici pour magasiner les échangeurs coque et tube
Échangeur de chaleur à plaques
Un échangeur de chaleur à plaques est composé de plusieurs plaques fines légèrement séparées qui possèdent des passages de fluide entre elles. Les fluides circulent alternativement à travers les canaux formés entre les plaques, facilitant l'échange de chaleur à travers les surfaces des plaques. Ce type d'échangeur de chaleur est maintenant utilisé dans de nombreux systèmes de chauffage et de refroidissement hydroniques, ainsi que comme évaporateur et condenseur dans certains systèmes de réfrigération.
Clicquer ici pour magasiner les échangeurs à plaques
Échangeur de chaleur à air
L'échangeur de chaleur à air utilise l'air ambiant comme milieu de refroidissement pour extraire la chaleur d'un fluide de processus. Le fluide de processus passe à travers des tubes à ailettes tandis que l'air circule sur la surface externe des tubes, emportant ainsi la chaleur. Il est souvent utilisé dans les raffineries, les usines pétrochimiques et d'autres industries où la disponibilité de l'eau ou les préoccupations de contamination limitent l'utilisation de systèmes refroidis à l'eau.
Échangeur de chaleur à double tube
Dans sa forme la plus simple, l'échangeur de chaleur à double tube se compose d'un tube à l'intérieur d'un autre tube plus grand (espace annulaire entre eux). Un fluide circule à l'intérieur du tube intérieur tandis que l'autre circule dans l'espace annulaire entre les tubes, permettant le transfert de chaleur. Il est adapté aux applications à petite échelle ou lorsque l'espace est limité, comme dans les laboratoires ou les petits systèmes de processus.
L'échangeur de chaleur à plaques à ailettes
L'échangeur de chaleur à plaques à ailettes utilise une série d'ailettes pour augmenter la surface d'échange thermique. Les fluides circulent dans des canaux alternés formés par des plaques à ailettes, ce qui améliore l'efficacité de l'échange thermique. Communément utilisé dans l'aérospatiale, la cryogénie et les systèmes HVAC en raison de leur conception légère et de leurs capacités efficaces de transfert de chaleur.
Chaque type d'échangeur de chaleur présente ses avantages et ses limites, en fonction de facteurs tels que l'efficacité du transfert de chaleur, la perte de charge, les besoins en maintenance et les considérations de coût. Le choix d'un type d'échangeur de chaleur est crucial pour optimiser les performances globales et l'efficacité énergétique des processus industriels et des systèmes.
Dimensionnement
Dimensionner et configurer correctement un échangeur de chaleur est crucial pour garantir son efficacité et son économie. Si l'échangeur est sous-dimensionné, il ne transférera pas suffisamment de chaleur, ce qui entraînera une mauvaise performance. Cela peut également provoquer des chutes de pression élevées et des vitesses de fluide qui pourraient endommager l'équipement par érosion ou vibration. En revanche, si l'échangeur est surdimensionné, il devient inefficace et peut entraîner des vitesses de fluide faibles qui augmentent le risque d'encrassement.
Facteurs à considérer lors du dimensionnement d'un échangeur de chaleur:
Lors de la détermination de la taille appropriée des échangeurs de chaleur, plusieurs facteurs doivent être soigneusement pris en compte. Cela inclut les éléments suivants :
- Calcul de la charge thermique : la quantité de chaleur qui doit être transférée entre les fluides ou les surfaces.
- Températures terminales (entrée et sortie).
- La surface de transfert de chaleur nécessaire.
- Pertes de pression : différence de pression (perte) entre l'entrée et la sortie d'un flux de processus unique à travers l'échangeur de chaleur.
- Débits des fluides.
- Viscosités des fluides.
Ces facteurs sont essentiels pour dimensionner précisément l'échangeur de chaleur afin d'assurer un fonctionnement efficace, éviter les problèmes de performance et de maintenance, et optimiser l'efficacité énergétique du système global
Matériaux des échangeurs de chaleur selon leur usage
Le choix du matériau approprié pour un échangeur de chaleur dépend de facteurs tels que l'environnement de fonctionnement, les caractéristiques des fluides, la température, la pression et les exigences en matière de résistance à la corrosion. Voici quelques recommandations en fonction des différents besoins :
-
Echangeurs de chaleur résistant à la corrosion : Hastelloy, Inconel, Tantale, Titane, Zirconium sont des matériaux souvent choisis pour leur résistance exceptionnelle à la corrosion dans des environnements agressifs.
-
Echangeurs de chaleur haute température : Les alliages à base de nickel, ainsi que les composites avancés de carbone et de carbure de silicium, sont adaptés pour résister aux températures élevées sans déformation ni oxydation significative.
-
Echangeurs de chaleur utilisés dans les environnements marins : Les alliages à base de nickel, le tantale et le titane sont fréquemment utilisés en raison de leur résistance à la corrosion dans l'eau de mer.
Acier inoxydable : Les alliages d'acier inoxydable, en particulier les grades comme le 304 (AISI 304) et le 316 (AISI 316), offrent une excellente résistance à la corrosion dans divers environnements chimiques, y compris les acides, les alcalis et les solutions contenant des chlorures.
Certains grades spécifiques d'acier inoxydable, tels que le 304H et le 316H, sont conçus pour résister à des températures élevées sans déformation ni oxydation significative.
Les échangeurs de chaleur en acier inoxydable trouvent leur utilisation dans diverses industries, notamment le HVAC (chauffage, ventilation et climatisation), le traitement chimique, ainsi que l'industrie pétrolière et gazière, en raison de leurs propriétés mécaniques, thermiques et de résistance à la corrosion exceptionnelles.
Applications
Systèmes de fonte de neige
Les systèmes de fonte de neige et de glace peuvent être conçus uniquement pour cette fonction ou servir à plusieurs charges telles que le chauffage de l'espace et le chauffage de l'eau domestique. Le ratio d'antigel dans un système de fonte de neige et de glace n'est pas le même que celui utilisé dans le chauffage de l'espace. Certains systèmes de chauffage de l'espace sont même conçus sans l'utilisation d'antigel.
Lorsque les systèmes de fonte de neige et de glace sont couplés avec le chauffage de l'espace et le chauffage de l'eau domestique, un échangeur de chaleur est souvent utilisé pour séparer le sous-système de fonte de neige et de glace du reste du système. Cela permet à la majeure partie du système de fonctionner uniquement avec de l'eau ou avec un ratio d'antigel différent.
Cliquer ici pour magasiner les composantes pour système de fonte de neige
Chauffage de piscine
Dans les installations où une chaudière ou une pompe à chaleur hydraulique assure le chauffage de l'espace en hiver et fournit de l'eau chaude domestique continue tout au long de l'année, il y a généralement une capacité de chauffage excédentaire pendant la saison morte. Si la propriété comprend une piscine, ce surplus de chaleur peut être utilisé pour maintenir des températures d'eau confortables pour la baignade.
Les échangeurs de chaleur de type coque et tube sont principalement utilisés car ils conviennent mieux aux débits élevés nécessaires pour les systèmes de filtration de piscine. L'eau provenant de la source de chaleur circule à travers la coque extérieure de l'échangeur de chaleur, fabriquée à partir de matériaux tels que l'acier, la fonte ou le laiton coulé, formant ainsi un système fermé. Pendant ce temps, l'eau de la piscine circule à travers le faisceau de tubes à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Ces tubes sont généralement fabriqués en titane ou en alliage de titane combiné avec de l'acier inoxydable pour résister à la nature corrosive de l'eau de piscine fortement chlorée.
Cliquer ici pour magasiner les échangeurs de chaleur coque et tube
Chauffage de l'eau domestique
Dans les systèmes hydroniques qui fournissent à la fois le chauffage de l'espace et l'eau chaude domestique, l'approche la plus courante pour chauffer l'eau domestique est l'utilisation d'un chauffe-eau indirect. Les chauffe-eaux indirects utilisent des échangeurs de chaleur à bobine interne.
Une autre approche consiste à utiliser un échangeur de chaleur à tube.
Cliquer ici pour magasiner les échangeurs de chaleur pour eau domestique
Chauffage de l'eau domestique sur demande
Une autre méthode pour chauffer l'eau domestique implique l'utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques brasées, qui récupère la chaleur soit à partir d'un réservoir tampon, soit d'un système de chaudière. Ce dispositif garantit que l'eau chaude est générée presque instantanément lorsqu'elle est nécessaire à n'importe quel robinet. Cette méthode est adaptée aux applications résidentielles et commerciales de petite taille qui intègrent un réservoir tampon chauffé.
Cliquer ici pour magasiner les échangeurs à plaques
Refroidissement hydronique
Les systèmes hydroniques offrent une large gamme d'avantages, et le refroidissement hydronique devient de plus en plus populaire malgré sa moindre fréquence. L'eau non seulement conduit efficacement la chaleur, mais elle sert également d'excellent moyen de refroidissement, capable d'absorber plus de 3000 fois plus d'énergie thermique qu'un volume équivalent d'air.
Pendant le fonctionnement de refroidissement, le système hydronique fait circuler de l'eau froide à travers les tuyaux au lieu d'eau chaude. Cette eau froide absorbe la chaleur de l'espace, facilitant l'échange thermique.
De nombreux produits ont été développés pour ces applications, en se concentrant sur le transfert de chaleur par convection forcée à la fois du côté de l'eau et de l'air de l'échangeur de chaleur. Ces produits peuvent être classés dans les catégories suivantes :
Ventilo-convecteur (fan coil)
Un ventilo-convecteur est essentiellement un ensemble composé d'un échangeur de chaleur eau-air, associé à un ventilateur ou soufflante qui génère une convection forcée du côté "air" de l'échangeur. Généralement, les ventilo-convecteurs sont conçus pour chauffer ou refroidir des zones spécifiques à l'intérieur d'un bâtiment. En plaçant stratégiquement plusieurs unités de ventilo-convecteurs, il est possible d'établir des zones de chauffage et de refroidissement à travers tout le bâtiment.
Cliquer ici pour magasiner les échangeurs eau/air
Unité de traitement d'air (air handler)
Les unités de traitement d'air , communément appelés "air handler" en anglais, sont spécialement conçues pour s'intégrer aux systèmes de conduits standard. En revanche, il existe des modèles spécialisés à "haute vélocité" équipés de soufflantes capables de générer une pression statique significative. Ces unités comprennent généralement un conduit principal unique qui distribue l'air à travers plusieurs conduits flexibles de branchement, chacun d'environ deux pouces de diamètre.
Ces conduits de branchement plus petits peuvent être acheminés à travers des cloisons ou le long des cavités de charpente et se terminent par de petits orifices installés au plafond ou sur les murs. Généralement, environ six à sept conduits de branchement sont nécessaires par tonne (12 000 Btu/h) de capacité de refroidissement. Les conduits de branchement ont généralement une longueur maximale admissible de 25 pieds à partir de leur point de connexion au conduit principal.
Plomberie
Les échangeurs de chaleur sont également utilisés dans des contextes de plomberie, comme la récupération de chaleur à partir d'eau chaude domestique ayant été utilisée dans des appareils tels que les éviers ou les douches. Cette eau, appelée eau grise, conserve encore une grande partie de sa chaleur lorsqu'elle s'écoule. Habituellement, cette chaleur est perdue dans le système d'égouts de nombreux bâtiments. Cependant, l'utilisation d'un échangeur de chaleur pour eaux grises peut récupérer jusqu'à 50 % de cette chaleur autrement gaspillée.
Cliquer ici pour magasiner les récupérateur de chaleur des eaux grises
Conclusion
En conclusion, l'échangeur de chaleur joue un rôle crucial dans les systèmes de chauffage contemporains, offrant efficacité et fiabilité tant pour les applications résidentielles que commerciales. Que vous envisagiez de mettre à niveau un système existant ou de lancer un nouveau projet, le bon échangeur de chaleur peut faire toute la différence en termes de performance et d'économies d'énergie.
Nous vous invitons à visiter notre magasin physique ou à nous appeler pour obtenir des conseils. Vous pouvez également parcourir notre boutique en ligne pour des descriptions détaillées des produits, des avis clients et une commande pratique. Améliorez dès aujourd'hui votre système de chauffage avec nos échangeurs de chaleur de qualité.
