Échangeur thermique : fonctionnement, types et efficacité

L’échangeur thermique est un élément essentiel des systèmes de chauffage, de climatisation, mais aussi de réfrigération. Il permet d’assurer le transfert de chaleur entre deux fluides, sans que ces derniers ne se mélangent. Ce transfert se fait à travers une paroi, aux capacités conductrices élevées. Il existe différents types d’échangeurs thermiques, utilisés dans différents domaines. Grâce à nos explications, découvrez tout ce qu’il faut savoir sur l’échangeur thermique, de son principe de fonctionnement à son efficacité, en passant par les différents types que l’on peut trouver.
 

Sommaire :

• Le principe de fonctionnement
• Les différents types d’échangeurs thermiques
• L’efficacité de l’échangeur thermique
• Un bilan énergétique pour faire le point

Il faut en outre savoir que l’échangeur thermique ne sert pas seulement à réchauffer un fluide. Selon le système pour lequel il est utilisé, son rôle est d’assurer la réfrigération du fluide, c’est le cas pour les climatiseurs ou encore les réfrigérateurs.
 

Son principe de fonctionnement

Pour fonctionner, l’échangeur thermique dispose de réseaux parallèles à travers lesquels circulent les fluides à des températures différentes. Ces derniers sont séparés par une paroi aux capacités conductrices optimales. C’est l’écart de température entre les deux fluides qui permet l’échange de chaleur. En effet, le plus chaud va naturellement se diriger vers le plus froid, le réchauffant immédiatement, tout en perdant des calories. Ainsi, lorsqu’il entre chaud dans l’échangeur thermique, le fluide primaire va réchauffer le fluide secondaire qui est froid. Il sort alors refroidi, tandis que le second fluide est réchauffé.
 

La nature et évolution des fluides

Les fluides peuvent être de nature différente selon l’échangeur thermique utilisé. On trouve ainsi des échangeurs thermiques dont les fluides sont :

• De l’eau
• Un liquide caloporteur
• De l’air
• De l’huile
• De la vapeur d’eau
   

Ces fluides peuvent évoluer différemment d’un échangeur thermique à l’autre. Ainsi, ils peuvent circuler :

• À contrecourant, lorsqu’ils se déplacent dans un sens opposé l’un par rapport à l’autre
• À courants parallèles, ou à cocourant, lorsqu’ils évoluent tous deux dans le même sens
• À courants croisés, dès qu’ils se déplacent à la fois à contrecourant et à co-courant
   

L’évolution à co-courant est peu prisée, car les deux autres possibilités sont plus efficaces. De ce fait, on trouve beaucoup d’échangeurs thermiques dont les fluides évoluent à contre-courant ou à courants croisés.
 

Les matériaux les plus utilisés

Pour que l’échangeur thermique fonctionne bien, la capacité conductrice d’un matériau est primordiale. En effet, plus le matériau sera conducteur, plus l’échange de chaleur sera optimal et efficace. Parmi les matériaux les plus utilisés, on retrouve notamment :

• Le cuivre
• L’inox
• L’aluminium
• L’acier
   

Ce sont ces matériaux que l’on trouve dans la plupart des radiateurs à inertie fluide, des chaudières, ou encore des chauffe-eau. On les trouve aussi dans les radiateurs des véhicules ou encore dans les VMC.

De plus, les échangeurs thermiques ne fonctionnent pas tous avec la même nature de fluide. Ils peuvent donc être de type :

• Eau/eau
• Vapeur d’eau/eau
• Huile/eau
• Eau/air
• Huile/air
• Air/air
   

L’échangeur thermique à plaques

Dans le cas de l’échangeur thermique à plaques, les fluides se déplacent de chaque côté des plaques, qui sont généralement ondulées. Ce type d’échangeur thermique est fréquemment employé car il est très performant. On le trouve dans les climatisations, les réfrigérateurs ou encore dans les chaudières, pour la production d’eau chaude sanitaire.
 

Les plaques utilisées dans ce dispositif peuvent être :

• À joints
• Soudées
• Brasées
• Assemblées par fusion
   

Pour chaque type, il est primordial que l’étanchéité entre chaque plaque soit maximale afin que les fluides de différentes températures ne se mélangent pas. Ici, ce sont les plaques qui vont servir de conducteur de chaleur, elles sont fabriquées dans l’un des matériaux cités précédemment.
 

L’échangeur thermique à plaques peut donc disposer d’un système eau/eau, mais aussi air/air, comme c’est le cas pour certains systèmes de ventilations mécaniques contrôlées (VMC). Dans cet exemple, l’échange thermique se fait à courants croisés.
 

L’échangeur thermique tubulaire

L’échangeur thermique tubulaire, ou multitubulaire, se compose de nombreux tubes qui sont placés dans une calandre. Très résistant à la pression, il est cependant assez encombrant et ne convient pas forcément aux installations domestiques.
 

C’est pour ces raisons qu’il est utilisé dans les installations puissantes. Par exemple, c’est généralement ce type d’échangeur thermique qui est employé dans les tours de refroidissement des centrales nucléaires en France.
 

L’échangeur thermique en forme de serpentin

L’échangeur thermique en forme de serpentin utilise un tube qui est immergé dans l’eau. Le fluide primaire circule dans le serpentin et réchauffe le fluide secondaire dans lequel le tube est immergé.
 

On le trouve dans les ballons tampon dotés d’un échangeur ou encore dans les climatiseurs, par exemple.
 

Les autres types d’échangeurs thermiques

Les types d’échangeurs thermiques présentés ci-dessus ne sont pas les seuls disponibles. En effet, il en existe d’autres qui sont quant à eux destinés à des utilisations bien spécifiques, souvent dédiés au milieu de l’industrie. On peut citer :

• L’échangeur à bloc ou à microcanaux, utilisé dans les unités extérieures des pompes à chaleur
• L’échangeur à ailettes, que l’on trouve dans les radiateurs des véhicules

Rendement

Plus les pertes thermiques sont minimisées, plus le rendement de l’échangeur thermique est important. Pour cette raison, il est donc très important que le matériau utilisé dans la conception soit le plus conducteur possible.
 

Ainsi, en choisissant un système ayant le meilleur rendement, les économies d’énergie se font immédiatement ressentir. Cela est vrai aussi pour le chauffage, la climatisation ou pour la production d’eau chaude sanitaire. Que ce soit pour une chaudière, un chauffe-eau, un ballon d’accumulation, des radiateurs ou une pompe à chaleur, l’échange calorifique entre les fluides doit être le meilleur possible.

L’efficacité de l’échangeur thermique

L’efficacité de l’échangeur thermique dépend donc de nombreux critères, à savoir :

• Le delta de température entre chaque fluide
• La conductivité du matériau utilisé
• La réduction des pertes de chaleur
   

Dans certains systèmes, les échangeurs thermiques à plaques sont privilégiés, tandis que dans d’autres les tubulaires sont plus efficaces.

Pour faire le point sur vos installations de chauffage, de climatisation ou encore de production d’eau chaude sanitaire, n’hésitez pas à réaliser un bilan énergétique. Rapide et simple à faire, il vous permettra de connaître les performances de votre logement et de savoir comment les améliorer. Isolation, système de chauffage ouvertures vitrées, tout est passé en détail.
 

De plus, vous serez informé de toutes les aides qui pourront vous être allouées si vous faites réaliser des travaux d’amélioration énergétique chez vous. En outre, vous prendrez connaissance des différentes offres d’électricité et de gaz que propose TotalEnergies. Grâce à cela, vous pourrez faire entre 2 et 10 % d’économies sur vos factures, par rapport aux tarifs réglementés.

Vous savez désormais tout ce qu’il faut savoir sur l’échangeur thermique. Grâce à ces informations, vous savez comment fonctionnent les différents systèmes qui permettent un échange thermique, que ce soit pour votre chauffage, pour votre climatisation ou pour votre eau chaude sanitaire.

Réaliser un bilan énergétique