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Échangeur thermique : fonctionnement, types et efficacité

Adeline M

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

Le principe de fonctionnement

Rôle de l’échangeur thermique

L’échangeur thermique a pour rôle de transférer l’énergie calorifique d’un fluide vers un autre, ceci sans les mélanger. Dans le cas d’un système de chauffage ou de production d’eau chaude, un premier fluide dit « chauffant », considéré comme le fluide primaire, sert à chauffer le fluide secondaire. Pour un bon échange, les deux fluides doivent être de température différente, c’est pour cela que l’un est chaud et l’autre froid.

Pour effectuer le transfert de chaleur, l’échangeur thermique a besoin d’un matériau qui soit assez conducteur afin d’optimiser l’échange, tout en limitant le plus possible les déperditions de chaleur. Dès lors que le transfert de chaleur s’effectue entre les deux fluides, alors l’échangeur thermique a pleinement accompli sa mission.

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.

Les différents types d’échangeurs thermiques

Les principales technologies utilisées

Le fonctionnement d’un échangeur thermique se fait grâce à deux principaux dispositifs :

Les plaques
Les tubes

Il en existe d’autres, comme les échangeurs thermiques à ailettes, à bloc ou encore à spirales. Cependant, pour les systèmes de chauffage ou d’eau chaude des logements, ce sont surtout ceux à plaques et ceux munis de tubes qui sont principalement employés.

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

L’efficacité de l’échangeur thermique

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.

La température

L’écart de température entre les deux fluides circulant dans l’échangeur thermique est très important. En effet, exprimé en Kelvin (K), ou en degrés Celsius (°C), le delta de température (dT), ou écart, doit être suffisant afin d’assurer l’échange de chaleur. Sans cet écart, le transfert ne pourrait avoir lieu ou deviendrait très difficile, et donc énergivore.

Pour chauffer le fluide primaire, le système dans lequel se trouve l’échangeur thermique va alors récupérer l’énergie générée grâce à des résistances électriques ou encore grâce à des produits de combustion (gaz, etc.).

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.

Un bilan énergétique pour faire le point

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

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Echangeur thermique : tableau récapitulatif

Sujets	Informations importantes
Principe de fonctionnement de l'échangeur thermique	Transfère l'énergie calorifique d'un fluide vers un autre sans les mélanger. Le fluide chaud réchauffe le fluide froid à travers une paroi conductrice.
Nature et évolution des fluides	Les fluides peuvent être de l'eau, un liquide caloporteur, de l'air, de l'huile, ou de la vapeur d'eau. Ils peuvent circuler à contrecourant, à courants parallèles ou à courants croisés.
Matériaux utilisés	Les matériaux conducteurs les plus courants sont le cuivre, l'inox, l'aluminium et l'acier. Ils sont essentiels pour un échange de chaleur optimal.
Types d'échangeurs thermiques	Les principaux types sont ceux à plaques et tubulaires. D'autres types incluent les échangeurs à ailettes, à bloc, à spirales et en forme de serpentin. Ils peuvent fonctionner avec différents fluides comme eau/eau, vapeur d’eau/eau, huile/eau, etc.
Efficacité de l'échangeur thermique	L'efficacité dépend du delta de température entre les fluides, de la conductivité du matériau utilisé et de la réduction des pertes de chaleur.