Échangeurs De Chaleur
EN GÉNÉRAL, LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR SONT LES DISPOSITIFS UTILISÉS POUR L’ÉCHANGE DE CHALEUR ENTRE UNE MÊME OU DIFFÉRENTES FORMES DE MATIÈRE GRÂCE À LA CONDUCTION, LA CONVECTION OU LE RAYONNEMENT. INDUSTRIELLEMENT, LE TERME « ÉCHANGEURS DE CHALEUR » S’UTILISE POUR DES DISPOSITIFS QUI AIDENT À ÉCHANGER LA CHALEUR ENTRE DEUX FLUIDES À DIFFÉRENTES TEMPÉRATURES SANS LES MÉLANGER PHYSIQUEMENT. PAR EXEMPLE, DES RADIATEURS OU DES CHAUFFE-EAU S’UTILISENT POUR CHAUFFER L’EAU OU L’AIR AMBIANT EN ÉCHANGANT LA CHALEUR ENTRE L’ÉLÉMENT CHAUFFANT ET L’EAU OU L’AIR ENVIRONNANT RESPECTIVEMENT. LES RÉFRIGÉRATEURS OU LES CLIMATISEURS SONT ÉGALEMENT ÉQUIPÉS D’ÉCHANGEURS DE CHALEUR POUR ÉCHANGER LA CHALEUR ET REFROIDIR LE MILIEU ENVIRONNANT. De même, ils ont des applications variées dans un vaste éventail de domaines tels que l’industrie automobile, l’industrie de l’alimentation et des boissons, la production d’énergie nucléaire, etc.
Plusieurs types d’échangeurs de chaleur sont utilisés dans les industries et pourraient être principalement classés en fonction de leur conception, comme
- Échangeurs de chaleur à calandre et à tube
Les échangeurs de chaleur à calandre et à tube sont les échangeurs de chaleur les plus discutés. Ils se composent d’une calandre et d’un tube dans lesquels des fluides circulant à deux températures différentes circulent en parallèle (à co-courant), perpendiculairement (écoulement transversal) ou anti-parallèle (à contre-courant) entre eux. Un échangeur de chaleur à double tuyau typique est composé d’un seul tube à l’intérieur d’une calandre et est illustré à la figure 1. Un tube peut avoir plusieurs passages avant de quitter une calandre, en fonction de la quantité de chaleur requise pour être transférée.
2. Échangeurs thermiques à plaques
Ces échangeurs de chaleur sont constitués de plusieurs plaques métalliques disposées ensemble (brasées ou reliées par des joints d’étanchéité) de sorte que les fluides chauds et froids puissent passer à travers des plaques alternées. Ils sont plus compacts que les échangeurs thermiques à tubes pour la même quantité de chaleur transférée entre deux fluides, mais présentent l’inconvénient d’avoir une utilité limitée à des pressions ou à des températures élevées. Habituellement, la pression maximale et les températures pouvant être utilisées sont respectivement de 3 MPa et 260°C. (Shah, 1994)
3. Échangeurs thermiques à plaques/tubes à ailettes
Les échangeurs sont similaires à ceux mentionnés ci-dessus sauf que les plaques/tubes sont dotés d’ailettes qui leur sont attachées. Les ailettes fournissent une surface étendue pour le transfert de chaleur et accroissent davantage la quantité de chaleur transférée. Le coût de construction de ces échangeurs est supérieur à celui évoqué précédemment.
Figure 1 : Schéma illustrant un simple échangeur de chaleur à tubes et calandre à flux parallèle.
Conception d’échangeur de chaleur
La quantité de chaleur absorbée/libérée par les fluides est représentée par
où , et sont les débits des fluides chauds et froids, respectivement. Les chaleurs spécifiques des fluides chauds et froids sont respectivement cph et cpctandis que ΔTh et ΔTc sont les variations absolues de températures entre l’entrée et la sortie pour les fluides chaud et froid, respectivement. Dans les échangeurs de chaleur à calandre et à tube, la quantité de chaleur transférée par unité de temps, q est représentée par (Holman, 2010),
où U est le coefficient de transfert de chaleur global, A est la surface effective pour le transfert de chaleur, F est le facteur de corrélation et ΔTm est la différence de température logarithmique entre deux fluides.
Le coefficient de transfert thermique global dépend de diverses propriétés telles que le type d’échangeur, les propriétés physiques du fluide, telles que la densité, la viscosité, etc., la turbulence dans le flux, l’épaisseur des tubes/plaques, la conductivité thermique du matériau de conception et l’encrassement. Par exemple, dans le cas d’un échangeur thermique à calandre et tube, le coefficient de transfert de chaleur global peut être représenté en termes de résistances individuelles au transfert de chaleur à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du tube. Dans un cas plus simple, où U reste constant dans le processus, il peut être représenté comme
où A, r et h représentent la surface totale du tube, le rayon du tube et le coefficient de transfert de chaleur dans le fluide, respectivement. Les suffixes o et i représentent respectivement l’extérieur et l’intérieur des tubes. L et k sont la longueur des tubes et la conductivité thermique du matériau de conception des tubes, respectivement. ΔTm, peut être représenté en termes de températures d’entrée et de sortie des fluides comme
où Th1 et Th2 sont les températures d’entrée et de sortie du fluide chaud, respectivement; tandis que Tc1 et Tc2 sont respectivement les températures d’entrée et de sortie du fluide froid. La valeur du facteur de corrélation, F, dépend de la conception de fabrication des échangeurs thermiques, telle que le nombre de réservoirs ou le nombre de passages de tubes à l’intérieur du réservoir des échangeurs. Elle est égale à 1 dans le cas simple d’un échangeur de chaleur à double tuyau.
Outre la charge thermique souhaitée, des facteurs tels que le coût de fabrication, le coût du matériau de conception, la perte de pression dans le fluide lors du pompage à travers les échangeurs, la compatibilité du matériau tube/plaque avec les fluides jouent un rôle crucial lors de la conception de l’unité.
Entretien des échangeurs de chaleur
L’encrassement dans les échangeurs thermiques est un facteur important qui réduit les performances des échangeurs de chaleur, à terme, en réduisant le coefficient de transfert de chaleur global. L’encrassement est la modification de la surface des plaques/tubes au fil du temps, due à plusieurs facteurs tels que la corrosion, les dépôts de magnésium/calcium ou des facteurs biologiques tels que les dépôts d’algues. Le nettoyage mécanique, le traitement de l’eau d’entrée ou la circulation de fluides de nettoyage font partie des méthodes utilisées pour l’entretien des échangeurs thermiques. Certains matériaux de conception tels que l’acier inoxydable ou le titane sont plus résistants à la corrosion tandis que les alliages de cuivre réduisent l’encrassement biologique, offrant ainsi de meilleures performances.
Part/Demande de marché
Les progrès technologiques, la sensibilisation accrue aux techniques d’optimisation énergétique et aux marchés émergents du monde entier, tels que l’Inde et la Chine, stimulent considérablement la demande d’échangeurs de chaleur. Selon des recherches menées par P & S Market Research (étude de marché P & S, 2016), la taille du marché des échangeurs thermiques était estimée à 14,1 milliards de dollars en 2014 et devrait augmenter avec un TCAC de 6,5% pour la période 2015-2020, l’industrie chimique s’attendant à la plus forte croissance du TCAC (9,2%) et l’Europe représentant le plus grand marché pour les échangeurs de chaleur.
[1] Shah, R. K., 1994, Heat exchangers, in Encyclopedia of Energy Technology and the Environment, Wiley, New York, pp. 1651–1670.
[2] JP Holman, 2010, Heat Transfer, 10th Edition, McGraw Hill, New York.
[3] “Global Heat Exchangers Market Size, Share, Development, Growth and Demand Forecast to 2020”, P&S market research.