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TYPOLOGIES D’ÉCHANGEUR DE CHALEUR Il existe de nombreuses typologies d’échangeur de chaleur et plusieurs façons de les classer. Dans cet article, nous les classerons en fonction de : 1. Classification par construction Contact direct Contact indirect Échangeurs tubulaires Échangeurs à plaques 2. Classification par fonctionnement Échangeurs liquide-liquide Échangeurs liquide-gaz Échangeurs gaz-gaz Échangeurs pour solides en vrac Classification par construction Les échangeurs de chaleur peuvent transférer l’énergie en contact direct, c’est-à-dire en mélangeant complètement les fluides, les tours de refroidissement étant l’un de leurs principaux représentants. Cependant, ce système peut entraîner la transmission de contaminants entre les deux fluides, ce qui le rend contre-indiqué pour la plupart des systèmes de refroidissement, de récupération d’énergie, de traitement des gaz, des liquides et des solides en vrac. Dans ces cas où il est nécessaire de maintenir les deux fluides séparés, un système de contact indirect est utilisé. Cette construction comprend un élément, souvent des plaques ou des tubes, qui sert de paroi et maintient les deux fluides séparés. Dans la catégorie des échangeurs à contact indirect, il existe un cas particulier : les récupérateurs de chaleur rotatifs, où les deux fluides traversent le même espace mais de manière alternée. Cela pourrait provoquer un léger mélange, mais celui-ci est considéré comme pratiquement négligeable. En se concentrant sur les deux principales familles du contact indirect, celle des plaques et celle des tubes, on peut affirmer que, pour la même puissance, les plaques permettent d’obtenir un coefficient de transfert de chaleur élevé dans un espace très compact. Cependant, elles réduisent la surface de passage des fluides, les rendant plus sensibles à l’encrassement. À l’inverse, les tubes offrent une surface de passage plus large, ce qui les rend particulièrement recommandés dans les environnements sales, poussiéreux, avec des fluides visqueux, collants ou même avec des sédiments. Ils sont plus difficiles à obstruer et permettent ainsi de réduire les coûts de maintenance et de nettoyage. Échangeur de chaleur à tubes Les échangeurs de chaleur tubulaires sont constitués de tubes cylindriques, plats ou ovales, leur conception étant choisie en fonction des particularités de chaque système. Dans cette famille, nous trouvons : Échangeurs de chaleur à tubes lisses. Comme ils possèdent une surface d’échange très similaire à l’intérieur et à l’extérieur des tubes, ils sont souvent utilisés lorsque les fluides ont des valeurs de chaleur spécifique similaires. Ainsi, dans les applications impliquant deux flux d’air, on parle des classiques échangeurs à tubes lisses, tandis que dans les applications avec de l’eau, de la boue, du lait ou des jus, on parle d’échangeurs tubulaires, multitubulaires, pyrotubulaires, coaxiaux ou à double tube, ainsi que d’échangeurs à calandre et tubes. Échangeurs de tubes avec ailettes. Ils sont spécialement conçus pour compenser le transfert d’énergie entre deux fluides ayant des valeurs de chaleur spécifique différentes. Cette situation est courante dans les systèmes où un flux de gaz est en contact avec d’autres fluides tels que l’eau surchauffée, l’huile thermique, un fluide frigorigène (ammoniac, R134, R410a, etc.) ou de la vapeur. Par exemple, la chaleur spécifique du gaz est d’environ 1,214 kJ/m³·K, tandis que celle de l’eau est de 4,186 kJ/m³·K. Cela signifie que l’eau peut céder presque quatre fois plus de chaleur que l’air peut en absorber. Pour corriger cela, on augmente la surface d’échange du côté de l’air en utilisant des éléments appelés ailettes, qui peuvent être des plaques continues transversales aux tubes ou des plaques hélicoïdales enroulées autour des tubes. Échangeur de chaleur à plaques Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués de plaques planes ou ondulées. Parmi eux, on trouve différentes conceptions adaptées à divers usages : Échangeur à plaques pillow. Technologie émergente, très polyvalente et efficace, avec une surface en forme de coussin qui lui vaut le nom de « pillow ». Sa conception permet non seulement de gérer des fluides visqueux, collants et contenant des sédiments, mais aussi de transférer de l’énergie à des solides granulés. Il constitue ainsi une excellente alternative aux lits fluidisés, réduisant la consommation énergétique, minimisant les déchets, diminuant la pollution environnementale et améliorant la qualité du produit final en appliquant l’énergie de manière uniforme. Échangeur à flux croisé. Système de plaques très utilisé dans la récupération d’énergie pour des applications telles que la climatisation, intégré directement dans les centrales de traitement d’air. Il s’agit d’un excellent système pour obtenir des rendements élevés, mais il nécessite des filtres à air performants, car sa forme compacte rend le nettoyage difficile. Échangeur à plaques soudées. Les plaques sont assemblées par soudage, ce qui empêche le nettoyage interne et limite son usage aux installations exemptes de salissures. Échangeurs à plaques et joints. Le système de joints permet de démonter, nettoyer et remplacer les plaques. Cela le rend plus polyvalent que le système soudé, mais les canaux où circulent les fluides restent très étroits et peuvent se boucher facilement, ce qui les rend inadaptés aux fluides visqueux, collants ou chargés en sédiments. Classification par fonctionnement Les échangeurs de chaleur sont conçus pour transférer l’énergie de manière optimale. Pour maximiser leur efficacité, il est essentiel de prendre en compte le type de fluides et leurs propriétés. Un exemple en est l’échange de chaleur entre un gaz ayant une chaleur spécifique de 1,214 kJ/m³·K et de l’eau ayant une chaleur spécifique de 4,186 kJ/m³·K. De la même manière, on trouve : Échangeurs liquide-liquide. Ils comprennent les échangeurs à plaques pillow, plaques soudées, plaques et joints, tubes concentriques, tubes coaxiaux et pyrotubulaires. Échangeurs liquide-gaz. Ils incluent les échangeurs à tubes lisses, tubes avec ailettes continues et tubes avec ailettes hélicoïdales. Échangeurs gaz-gaz. On y trouve les échangeurs multitubulaires, à tubes lisses et à flux croisé. Échangeurs pour solides en vrac. Ils utilisent la technologie Pillow Plate. De petits détails de conception peuvent augmenter ou diminuer les turbulences, influençant ainsi les coefficients d’échange thermique et entraînant des différences notables entre un fabricant et un autre. C’est pourquoi l’investissement en R&D est devenu un facteur clé pour l’évolution de ce secteur, de plus en plus reconnu pour sa contribution en termes d’efficacité, d’économie et de … Lire la suite