changeur de chaleur
Un changeur de chaleur est un dispositif permettant de transf rer de l' nergie thermique d'un fluide vers un autre sans les m langer.
1
Le flux thermique traverse la surface d' change qui s pare les fluides .
L'int r t du dispositif r side dans la s paration des deux circuits et dans l'absence d'autres changes que la chaleur, gardant chaque
fluide ses caract ristiques physico-chimiques inchang es (pression, concentration en l ments chimiques, ...) hormis bien s r leur
temp rature et/ou leur tat.
Un changeur se caract rise par les fluides en pr sence, le but recherch et la puissance mettre en Suvre ; ces crit res d terminent
sa forme et ses dimensions optimales.
Sommaire
Applications
Transfert de chaleur
Modes de transfert
Mod lisation de l' change thermique - cart logarithmique de temp rature
chelonnement des temp ratures
cart de temp rature logarithmique
Puissance thermique chang e
D marche de calcul d'un changeur
Temp ratures le long de l' change
Types d changeurs
changeur tubes en U
changeur faisceau tubulaire horizontal
Echangeur faisceau tubulaire vertical
Echangeur spirales
Echangeur plaques
changeur de chaleur rotatif
Colonne de Bouhy
changeur bloc
Tour de refroidissement
changeur ailettes
changeur fils fins
Notes et r f rences
Notes
R f rences
Articles connexes
Applications
Les changeurs de chaleur sont utilis s dans de nombreux domaines :
une chaudi re est un changeur puisqu'elle permet de produire de l'eau de chauffe en r cup rant l' nergie des
produits de combustion ;
les radiateurs de nos appartements permettent, l'aide d'eau de chauffe, de chauffer l'air des locaux o ils ont
install s pour notre confort ;
on peut produire de l'eau chaude sanitaire en r chauffant de l'eau du robinet l'aide d'un circuit ferm de
chauffage, priori impropre la consommation humaine, sans d naturer l'eau trait e ;
les changeurs de chaleur sont indispensables au fonctionnement d'une machine frigorifique, qu'il s'agisse d'un
frigo, d'un climatiseur ou d'une pompe chaleur ;
ils peuvent servir refroidir un fluide chaud dans le but d' viter des dommages dus une temp rature trop
lev e ; c'est le cas typique du radiateur automobile ;
ils peuvent encore transf rer de l' nergie depuis un milieu qu'on veut garder confin vers un syst me plus
accessible comme dans une centrale nucl aire ;
ils peuvent servir recycler la chaleur avant son rejet dans le milieu naturel, comme le fait un r cup rateur sur air
vici dans une installation de ventilation double flux ;
ce ne sont que quelques exemples tant leur domaine d'emploi est diversifi .
Transfert de chaleur
Modes de transfert
Il existe plusieurs types d' changeurs de chaleur :
co-courant (ou changeur anti-m thodique) : les deux fluides sont
dispos s parall lement et vont dans le m me sens. Dans un
changeur anti-m thodique la temp rature de sortie du fluide froid est
n cessairement moins lev e que la temp rature de sortie du fluide
chaud.
contre-courant (on dit aussi : changeur m thodique) : idem, mais
les courants vont dans des sens oppos s. Dans un changeur
m thodique, le coefficient d' change est sensiblement sup rieur
celui d'un changeur anti-m thodique et la temp rature de sortie du
fluide froid peut tre plus lev e que la temp rature de sortie du fluide
chaud.
courants crois s : les deux fluides sont positionn s
perpendiculairement.
t te d' pingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans un
conduit plus large, que le deuxi me fluide traverse. Cette
configuration est comparable un changeur courant parall le sur
la moiti de la longueur, et pour l'autre moiti un changeur
contre-courant.
contact direct ou m lange : les deux fluides peuvent tre mis en
contact comme c'est le cas dans les tours de refroidissement, des
buses projetant de l'eau chaude sont dispos es sur les parois
int rieures de la tour, l'air ext rieur admis par le bas s' chauffe et du
fait de son changement de densit monte de bas en haut, permettant
ainsi de refroidir l'eau.
Exemples :
changeur thermique par surface.
changeur thermique avec des fluides en contact direct.
Croquis de principe figurant un
change de chaleur m thodique et
anti-m thodique. Dans l' change
m thodique la temp rature de sortie
du fluide froid peut tre plus lev e
que celle du fluide chaud. Dans
l' change anti-m thodique ce n'est
pas possible
Mod lisation de l' change thermique - cart logarithmique de temp rature
On sint resse un changeur entre un fluide chaud de temp rature d'entr e dans l' changeur
et de sortie
et un fluide froid de
temp rature d'entr e dans l' changeur et de sortie
.
On distingue les cas o l' change de chaleur est m thodique ou anti-m thodique. En outre, les fluides consid r s ont des capacit s
thermiques diff rentes
Note 1
.
chelonnement des temp ratures
L' change n'est possible que si le fluide c dant sa chaleur est
plus chaud que le fluide r chauff :
Le fluide chaud se refroidit, donc :
Le fluide froid se r chauffe, donc :
En additionnant les deux in galit s :
d'o
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Dans le cas d'un change anti-m thodique on a en outre :
et donc :
cart de temp rature logarithmique
On appelle cart de temp rature logarithmique d'un changeur
la quantit , not e
mesur e en C :
volution des temp ratures suivant l' change thermique
entre fluide chaud et fluide froid dans un changeur
m thodique
Si l' changeur est anti-m thodique (i.e. co-courant) :
Si l' changeur est m thodique (i.e. contre-courant) :
avec :
temp rature d'entr e du fluide chaud.
temp rature de sortie du fluide chaud.
temp rature d'entr e du fluide froid.
temp rature de sortie du fluide froid.
si l' change est m thodique, les fluides ont des capacit s thermiques diff rentes
Note 2
.
Puissance thermique chang e
La puissance thermique chang e prend la forme :
volution des temp ratures suivant l' change thermique
entre fluide chaud et fluide froid dans un changeur anti-
m thodique
avec :
D marche de calcul d'un changeur
Le calcul de la surface d' change d'un changeur entre deux fluides de capacit s thermiques diff rentes dont on souhaite qu'ils aient
les temp ratures d'entr e sortie de l' changeur
pour le fluide chaud :
pour le fluide froid avec la condition
s'effectue de la fa on suivante :
Avec Q, le d bit des fluides.
Calcul du coefficient d' change h par application des corr lations classiques des changes thermiques qui
donnent la valeur du nombre de Nusselt des coulements. Quand cela est n cessaire (fortes variations des
caract ristiques thermodynamiques des fluides) on effectue le calcul de h en diff rents points de l' change de
fa on disposer d'une valeur moyenne consolid e.
Calcul du
La surface d' change n cessaire est alors donn e par la formule simple :
A contrario, si on connait la g om trie de l' changeur, les temp ratures d'entr e et les d bits massiques des fluides on peut valuer la
puissance chang e ainsi que les temp ratures de sortie de l' changeur avec la m me formule. La majorit des calculs de pr -
dimensionnement des changeurs sont effectu s avec cette formule.
Temp ratures le long de l' change
Avec l'hypoth se d'invariance du coefficient d' change local, les temp ratures du fluide chaud
et du fluide froid le long de
l' change thermique en fonction de l'abscisse curviligne orient e dans le sens de l' coulement du fluide
sont donn es par les
relations suivantes :
Si l' changeur est anti-m thodique (i.e. co-courant)
Si l' changeur est m thodique (i.e. contre-courant)
avec :
Si on souhaite avoir les temp ratures en regard l'une de l'autre au m me endroit
de l' changeur dans le cas de l' change m thodique il faut remplacer
par
dans l'une ou l'autre des formules donnant
et
Un exemple d'application est donn l'article g n rateur de vapeur
Calcul simplifi d'un changeur - cart de temp rature logarithmique - Temp ratures le long de l' change
Liminaire
On tudie tout d'abord compl tement le cas o l' change thermique est anti-m thodique ( coulement co-courant des fluides).
L' change m thodique est examin en diff rentiel dans un deuxi me temps.
Notations et donn es
= d bits massiques des fluides chaud et froid en kg/s
= capacit s calorifiques massiques des fluides chaud et froid en J/(kg K) (non gales)
= surface d' change totale de l' changeur et = surface au long de l' change (variable)
= puissance chang e
Bilan thermique d'ensemble
. On note
change thermique le long de la surface d' change(dans le sens d' coulement des fluides) :
Soit
un l ment de surface d' change entre le fluide chaud la temp rature et le fluide froid la
temp rature localement au long de l' change thermique, la puissance chang e dans l' l ment de surface
d' change
) s' crit :
(not e
avec = coefficient d' change en W/(m2 K) ; on fait l'hypoth se g n ralement assez bien v rifi e si l' change est
effectu entre fluides sans changement de phase, de la constance de h tout au long de l' change
(dans le sens d' coulement du fluide,
est positif
est n gatif)
d'o
et
par ailleurs
on remplace alors t par et dW par leurs valeurs dans la relation
Il vient :
en int grant le long de l' change thermique :
pour
; d'o :
d'o la relation donnant :
pour
Notion d' cart logarithmique moyen
on note le terme au num rateur du logarithme qui se simplifie grandement :
de m me le terme
est mis sous la forme :
Finalement
on tient compte de ce que
il vient :
qu'on met sous la forme classique :
volution des temp ratures le long de l' change :
La relation :
permet d' tablir la loi de variation de la
temp rature
du fluide chaud le long de l'abscisse curviligne parcourant la surface d' change :
par ailleurs
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d'o
Une d marche similaire conduit la relation donnant en fonction de labscisse curviligne le long de l' change :
Cas de l' change m thodique
change thermique le long de la surface d' change (dans le sens d' coulement du fluide chaud) :
La puissance chang e dans l' l ment de surface d' change s' crit :
n gatif car le sens d'orientation de labscisse curviligne est le sens d' coulement du fluide chaud ; par ailleurs
est n gatif) d'o
(par diff rence avec le cas de l' change anti-m thodique,
est
et
par ailleurs
on remplace t par et dW par leurs valeurs dans la relation
Il vient :
en int grant le long de l' change thermique :
pour
d'o :
d'o la relation donnant :
pour
cart logarithmique moyen :
on note le terme au num rateur du logarithme qui se simplifie :
de m me le terme
est mis sous la forme :
Finalement
qu'on met sous la forme classique :
volution des temp ratures le long de l' change :
La relation :
permet d' tablir la loi de variation de la temp rature du fluide chaud le long de l'abscisse curviligne parcourant la surface
d' change :
Une d marche similaire conduit la relation donnant en fonction de labscisse curviligne le long de l' change :
L'abscisse curviligne est orient e dans le sens du fluide d s lors si on souhaite avoir les temp ratures des fluides
chaud et froid en regard, il convient de remplacer
par
dans l'une ou l'autre des formules donnant et
Types d changeurs
Il existe diff rents types d changeurs selon les objectifs recherch s.
changeur tubes en U
Il s'agit de l' changeur le plus commun.
Avantages
Inconv nients
Utilisation
R siste aux
fortes
pressions
Libre dilatation
des tubes et du
corps
Toutes
puissances
Encombrement
Prix de revient
lev
D bouchage
difficile
vapeur/eau
Eau
surchauff e/eau
Huile/eau
Process
Sch ma d'un changeur tubes
en U
changeur faisceau tubulaire horizontal
Un sch ma typique d'un changeur tubes calandre (shell and tubes exchanger ou
changeur tubes et virole) est pr sent ci-contre. L'appareil est constitu d'un faisceau
de tubes, dispos s l'int rieur d'une enveloppe d nomm e calandre. L'un des fluides
circule l'int rieur des tubes et l'autre l'int rieur de la calandre, autour des tubes. On
ajoute en g n ral des chicanes dans la calandre, qui jouent le r le de promoteurs de
turbulence et am liorent le transfert l'ext rieur des tubes.
chaque extr mit du faisceau sont fix es des bo tes de distribution qui assurent la
circulation du fluide l'int rieur du faisceau en une ou plusieurs passes. La calandre est
Sch ma d'un changeur tubulaire
elle aussi munie de tubulures d'entr e et de sortie pour le second fluide (qui circule
l'ext rieur des tubes) suivant le chemin impos par les chicanes (voir figure).
Avantages
Inconv nients
Utilisation
R siste aux fortes pressions
Pour toutes les puissances
Economique
Accepte des grands carts de
temp rature
Peut tre utilis en condensation partielle
Contraintes sur les tubes
Difficult de nettoyage
(multitubes)
Sensible aux vibrations
Eau/eau
Vapeur/eau
Huile/eau
Eau
surchauff e/eau
Echangeur faisceau tubulaire vertical
Avantages
Inconv nients
Utilisation
Faible encombrement
L' changeur peut tre plein de
condensat
Parfaitement adapt l' change vapeur
haute pression/eau
Formation de
poche d'air
Vapeur HP/eau
Eau
surchauff e/eau
Fluide
thermique/eau
Fum es/eau
Publicité
Process
Echangeur spirales
Un changeur spirales consiste en 2 plaques de m tal enroul es de mani re h lico dale pour former une
paire de canaux en spirale. Le diam tre de l' changeur est relativement grand, avec une surface d' change
2
maximale d'environ 450 m2 pour un diam tre de 3 m , ce qui le place dans la cat gorie des changeurs non-
compacts. L' change de chaleur n'est pas aussi bon que celui de l' changeur plaques, car la surface
Sch ma d'un
changeur
tubulaire
d' change ne poss de pas en r gle g n rale de profil, mais pour une m me capacit d' change, un changeur
spiral n cessite 20 % de moins de surface d' change qu'un changeur faisceau
2
tubulaire .
Il est utilisable pour les liquides visqueux ou pour les m langes liquide-solide et poss de
une capacit auto-nettoyante garantissant un encrassement r duit par rapport
l' changeur faisceau tubulaire. Il ne peut travailler qu'avec des diff rences de
temp ratures et de pression limit es.
Avantages
Inconv nients
Utilisation
Grande surface de
contact
Large passage
Encombrement r duit
Excellent condenseur
Autonettoyant
Non
d montable
Ecarts de T
limit s
Eau/eau
Vapeur/eau
Eau
surchauff e/eau
Echangeur plaques
L' changeur plaques est un type d' changeur de chaleur qui conna t un usage croissant
dans l'industrie. Il est compos d'un grand nombre de plaques dispos es en forme de
millefeuilles et s par es les unes des autres d'un petit espace (quelques millim tres) o
circulent les fluides. Le p rim tre des plaques est bord d'un joint qui permet par
compression de la structure d' viter les fuites.
Les plaques ne sont pas plates, mais poss dent une surface ondul e selon un sch ma
bien pr cis afin de cr er un flux turbulent synonyme d'un meilleur transfert de chaleur,
mais permet galement de canaliser les fluides se d pla ant la surface vers les coins de
la plaque. Le fluide se d place, par exemple, du coin inf rieur gauche vers le coin
sup rieur droit de la plaque, o un orifice li un tuyau lui permet de passer de l'autre
c t de la plaque et de sauter une couche du millefeuille (un espace entre 2 plaques)
avant de s' couler nouveau le long de la plaque suivante. Ainsi chaque fluide ne
circule parall lement une plaque que tous les 2 espaces.
Sch ma d'un changeur spirale
Sch ma d'un changeur
plaques
L'avantage de ce type d' changeur est sa simplicit qui en fait un changeur peu co teux
et facilement adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/r duire la surface
d' change en fonction des besoins (Attention : la surface ne peut tre augment e de
mani re infinie cause de la perte de charge). La surface en contact avec l'ext rieur est
r duite au minimum, ce qui permet de limiter les pertes thermiques et l' troitesse de
l'espace o circulent les fluides ainsi que le profil des plaques assurent un flux turbulent
qui permet un excellent transfert de chaleur.
Toutefois ces derniers param tres entra nent une importante perte de charge qui limite le
nombre de passage des fluides entre les plaques. Cette perte de charge ne peut tre
compens e par une pression d'entr e des fluides lev e (<2,5 MPa)
2
car une trop
Une plaque avec un profil
chevrons
grande pression causerait des fuites au travers des joints plac s entre les plaques. La diff rence de temp ratures entre les 2 fluides ne
doit pas tre trop grande galement pour viter une d formation des plaques par dilatation/contraction de ces derni res qui
emp cherait les joints entre les plaques d' tre parfaitement tanches.
La turbulence permet de r duire l'encrassement de la surface d' change de 10-25 % par rapport un changeur faisceau tubulaire.
Comparativement un changeur faisceau tubulaire la surface d' change est inf rieure de 50 % pour le m me transfert de chaleur.
2
Avantages
Inconv nients
Utilisation
Compact
Tr s bons coefficients de transfert
Prix comp titifs
Peu de pertes thermiques
Modulable
Faible cart de T possible
R gulation
Perte de charge importante
Pression de travail limit e
Vapeur BP/eau
Eau/eau
Huile/eau
Eau surchauff e/eau
changeur de chaleur rotatif
Colonne de Bouhy
Excellente alternative aux changeurs plaques dans les s cheurs d'air comprim , la colonne de Bouhy
est en fait un changeur t te d' pingle auquel a t ajout un s parateur air/eau centrifuge dans la partie
inf rieure. Le dispositif dispose de deux changeurs coaxiaux, le premier servant amener l'air en
dessous de son point de ros e, le second servant la fois ramener l'air une temp rature convenant
son utilisation et surtout augmenter l'efficacit du refroidissement. Ce type d' changeur se caract rise
par une tr s faible perte en charge.
changeur bloc
L' changeur bloc est un type d' changeur de chaleur r serv des
applications particuli res. Il consiste en un bloc d'une mati re thermiquement
conductrice perc de multiples canaux dans lesquels circulent les 2 fluides. Le
bloc est le plus souvent compos de graphite additionn parfois de polym res
pour am liorer les propri t s m caniques de l' changeur. Le bloc est plac
dans une structure qui assure la distribution des liquides dans les canaux.
colonne de Bouhy
Le bloc peut avoir diff rentes formes : cylindrique ou cubique. Il peut encore tre compos d'un seul bloc
ou de plusieurs parties empil es de mani re permettre les fluides de passer d'une partie l'autre.
L'int r t de ce type d' changeur de chaleur est principalement sa r sistance chimique aux liquides
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Sch ma d'un
changeur bloc
complexe
corrosifs ainsi que sa capacit modulaire : le bloc peut facilement tre remplac en cas de fuites. Le fait
que le rapport volume libre pour passage des fluides/volume du bloc est tr s petit cr e une grande inertie
dans les cas de changements de temp rature : le bloc agit comme un r servoir et peut lisser les diff rences
de temp rature.
Les blocs sont cependant fragiles tant aux chocs qu'aux grands carts de temp rature (probl me de
dilatation non-uniforme pouvant conduire des fissurations du bloc). Le prix est relativement lev par
rapport aux autres types d' changeurs et le transfert de chaleur est en g n ral moyen : l' paisseur de la
paroi d' change est plus grande que pour une surface d' change en m tal pour cause de fragilit , ce qui
augmente la r sistance au transfert.
Sch ma d'un
changeur bloc
simple
Avantages
Inconv nients
Utilisation
Bonne r sistance
chimique
Inertie
Peu de pertes
thermiques
Modulable
Sensible aux grands carts
de T
Sensible aux chocs
Coefficients de transfert
moyen
Prix
Vapeur/eau
Eau/eau
Eau
surchauff e/eau
Liquides corrosifs
Tour de refroidissement
changeur ailettes
Un changeur ailettes est un changeur relativement simple : il consiste en un conduit
cylindrique ou rectangulaire sur lequel sont fix es des lames m talliques de diff rentes
formes. Le fluide de refroidissement est en g n ral l'air ambiant. La chaleur est transf r e du
fluide chaud circulant dans le conduit principal aux lames m talliques par conduction
thermique ; ces lames se refroidissent au contact de l'air.
Ce type d' changeur est utilis pour le chauffage dans les b timents : de l'eau est chauff e
dans l'installation de chauffage et circule dans des radiateurs qui sont des changeurs
ailettes. On utilise galement ce type d'installation pour refroidir les moteurs de voiture ou
encore les moteurs en tout genre. Dans ce dernier cas, la chaleur due aux frottements et
l'induction magn tique (cas d'un moteur lectrique) est directement transf r e la protection
ext rieure du moteur qui poss de des ailettes fix es sa surface.
changeur eau/air
d'automobile.
Le transfert thermique est limit notamment du c t du
fluide de refroidissement par manque d'un syst me de circulation : l'air circule principalement
par convection naturelle autour de l' changeur. Cette limitation peut toutefois tre supprim e
par ajout d'un syst me de ventilation. Cet changeur est tr s simple et peut prendre des formes
particuli res, ce qui le rend int ressant dans l' lectronique.
Avantages
Inconv nients
Utilisation
Bon rendement
Peut prendre des formes pr cises
Craint les chocs
eau/air
huile/air
solide/air
Radiateur pour l' lectronique
changeur fils fins
De nouveaux changeurs fils fins permettent des changes eau/air tr s faibles carts de temp rature en chauffage ou
refroidissement.
Notes et r f rences
Notes
1. Dans le cas o les fluides ont des capacit s thermiques gales les relations se simplifient et en particulier, dans le
cas d'un change m thodique,
tout au long de l' change
. L' cart de temp rature entre les deux fluides est alors constant
2. On pourra remarquer qu'il suffit d'un cart de 1/10 000 de C avec les valeurs trouv es pour les temp ratures
pour rendre le calcul de
faisable sans que l'erreur introduite d lib r ment dans le calcul
rende celui-ci inutilisable
R f rences
1. changeurs de chaleur (http://direns.mines-paristech.fr/Sites/Thopt/fr/co/echangeurs.html), sur le site mines-
paristech.fr, consult le 2 f vrier 2015
2. (en) Ramesh K. Shah1, Alfred C. Mueller, "Heat Exchange" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, DOI:
10.1002/14356007.b03_02, Wiley-VCH, 15 juin 2000, 114 p.
Articles connexes
Thermodynamique
Minergie
Radiateur
Dudgeonnage
conomies d' nergie
Haute qualit environnementale (HQE), concept appliqu l'architecture
A ror frig rant
Flux thermique
Fluide caloporteur
R cup ration de chaleur sur groupes frigorifiques
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