8. Les échangeurs de chaleur

8.1. Généralités sur les échangeurs thermiques

• Définition : appareils dans lesquels deux ou plusieurs fluides circulent sans se mélanger dans des canaux séparés, échangeant de la chaleur.

• Différentes utilisations :

  • échangeurs dans lesquels un fluide chaud se refroidit en échauffant un fluide froid.

    • Les fluides ne changent pas d’état.

    • Les températures des fluides varient tout le long de tels échangeurs.

    • Ex. : frigorifère à saumure ; échangeur liquide-vapeur ; échangeur entre solution pauvre et solution riche d’une machine à absorption.

  • échangeurs dans lesquels un fluide froid se vaporise en recevant de la chaleur d’un fluide chaud qui se refroidit sans changer d’état.

    • La température du fluide chaud varie. 

    • La température du fluide froid reste constante.

    • Ex. : évaporateur (sans zone de surchauffe).

  • échangeurs dans lesquels un fluide chaud se condense en cédant de la chaleur à un fluide froid qui s’échauffe sans changer d’état.

    • La température du fluide chaud reste constante. 

    • La température du fluide froid varie.

    • Ex. : condenseur (sans zones de désurchauffe et de sous-refroidissement).

  • échangeurs dans lesquels un fluide chaud se condense en cédant de la chaleur à un fluide froid qui se vaporise.

    • La température des deux fluides reste constante.

    • Ex. : évapo-condenseur pour installation en « cascade ».

  • échangeurs « à évaporation » dans lesquels un fluide chaud se condense en cédant de la chaleur à un courant d’air circulant à l’extérieur des faisceaux de tubes à ailettes et à la vaporisation de l’eau circulant également à l’extérieur des tubes à contre-courant par rapport à l’air.

    • Ex. : condenseur-évaporatif (sans zones de désurchauffe et de sous-refroidissement).

• Types d’échangeurs :

  • à courants parallèles et de mêmes sens (dits « antiméthodiques ») ;

• à courants parallèles et de sens contraires (dits « à contre-courant ») ;

• à courants croisés.

• Diagrammes et formules :

• à courants parallèles et de mêmes sens ;

Hypothèses : - les débits des fluides et leur chaleur massique sont constants ;

                    - l'échangeur est parfaitement isolé du milieu extérieur ;

                    - K est le coefficient d'échange thermique entre les deux fluides ;

                    - Q est la quantité de chaleur échangée.

Q = K . St . Dq_{moyen logarithmique}

avec Dq_{moyen logarithmique} = (Dq_e - Dq_s ) / Ln (Dq_e / Dq_s)

• à courants parallèles et de sens contraires ;

Hypothèses : - les débits des fluides et leur chaleur massique sont constants ;

                    - l'échangeur est parfaitement isolé du milieu extérieur ;

                    - K est le coefficient d'échange thermique entre les deux fluides ;

                    - Q est la quantité de chaleur échangée.

Q = K . St . Dq_{moyen logarithmique}

avec Dq_{moyen logarithmique} = (Dq_e - Dq_s ) / Ln (Dq_e / Dq_s)

• à courants croisés ;

L'étude est très complexe. On peut toutefois utiliser la solution simplifiée de Limbault à partir de l'abaque de Bowmann Muller Nayle ci-dessous :

On calcule X = (q_2s - q_2e)  / (q_1e - q_2e)  puis Z = (q_1e - q_1s)  / (q_2s - q_2e)

On obtient alors Y = Dq_moyen / Dq_{moyen logarithmique} (avec Dq_{moyen logarithmique} calculé comme pour un échangeur à courants parallèles et de sens contraires) sur l'axe des ordonnées de l'abaque.

On a alors :

Q = K . St . Dq_moyen

A partir de cinq passes, on peut, avec une bonne approximation, assimiler ces échangeurs à des appareils à courants parallèles et de sens contraires.