Echangeur thermique : définition, fonctionnement et financement

1. Définition d'un échangeur de chaleur

Un échangeur de chaleur ou échangeur thermique est un système ou équipement permettant de transférer un flux de chaleur d'un fluide chaud à un fluide froid, sans les mélanger, à travers une paroi sans contact direct. Le flux thermique traverse la surface d'échange qui sépare les fluides.

On distingue la récupération de chaleur à haute température (supérieure à 90° C) venant de fumées de combustion ou de vapeur d'échappement, et la récupération à basse température (inférieure à 60° C) venant des circuits de refroidissement par eau, des eaux usées ou des effluents de process, de l'air chaud de séchage ou de compression, de défaut d'isolation des parois.

L'échangeur thermique le plus commun est l'échangeur à plaques. De nouveaux échangeurs à fils fins permettent des échanges eau/air à très faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement. L'échangeur thermique est utilisé pour préparer l'eau pour qu'elle soit injectée de manière optimale dans la chaudière.

2. Les différents types d'échangeurs de chaleur :

• Echangeur coaxial : deux fluides (l'un chaud et l'autre froid) circulent dans un échangeur de chaleur coaxial. Ces derniers sont séparés par une paroi en acier oxydable.
  Le fluide ayant la température plus élevée circule dans le tube intérieur en inox. Le fluide froid circule entre ce tube et une enveloppe en verre.

• Echangeur à faisceau tubulaire horizontal : L'appareil est constitué d'un faisceau de tubes, disposés à l'intérieur d'une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes

• Echangeur à faisceau tubulaire vertical : Son avantage principal est un faible encombrement au sol

• Echangeur à plaques : Ils sont constitués d'un empilement de plaques rainurées entre lesquelles circulent alternativement l'un ou l'autre liquide. Ils présentent l'avantage d'offrir des coefficients de transfert globaux élevés même avec des vitesses de liquide faibles grâce à une forte turbulence.
  Ils présentent de plus des surfaces d'échange élevées pour un encombrement minimal. Le démontage des plaques pour le nettoyage est également aisé.
  Par contre, ils sont la cause de pertes de charges importantes ce qui augmente leur coût de fonctionnement.

3. Les modes de transfert : comment fonctionne un échangeur de chaleur ?

• À co-courant : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens.

• À contre courant : idem, mais les courants vont dans des sens opposés.

• À courant croisé : les deux fluides sont positionnés perpendiculairement.

• À tête d'épingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans un conduit plus large, que le deuxième fluide traverse. Cette configuration est comparable à un échangeur à courant parallèle sur la moitié de la longueur, et pour l'autre moitié à un échangeur à contre-courant.

4. Comment fonctionne un échangeur de chaleur à plaques ?

Les fluides se déplacent de chaque côté des plaques ondulées. Ce type de mélangeur est très fréquent dans les climatisations, les réfrigérateurs ou encore dans les chaudières, pour la production d'ECS (eau Chaude Sanitaire).

Sur un échangeur à plaques, les plaques peuvent être à joints, soudées, brasées ou assemblées par fusion. L'échangeur thermique à plaques peut comporter un système eau/eau, mais aussi air/air; comme c'est le cas pour certains systèmes de ventilation mécanique contrôlée (VMC).

5. Comment fonctionne un échangeur de chaleur tubulaire ?

L’échangeur thermique tubulaire se compose de nombreux tubes qui sont placés dans une calandre. Ces derniers résistent beaucoup 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. L’échangeur thermique tubulaire est le plus utilisé dans les tours de refroidissement des centrales nucléaires.

6. Comment calculer l'efficacité d'un échangeur et faire des économies d'énergie ?

En minimisant la perte de chaleur, le rendement de l'échangeur de chaleur est efficace. Par conséquent, il est très important que les matériaux utilisés dans la conception soient aussi conducteurs que possible.

Sachant qu' en choisissant le système le plus efficace, les économies d'énergie peuvent être ressenties immédiatement. Ceci s'applique également à la production de chauffage, de climatisation ou d'eau chaude sanitaire. Qu'il s'agisse d'une chaudière, d'un chauffe-eau, d'un ballon de stockage, d'un radiateur ou d'une pompe à chaleur, l'échange thermique entre les fluides doit être le meilleur possible.

La différence de température entre les deux fluides circulant dans l'échangeur de chaleur est importante. En effet, exprimé en Kelvin (K) ou en Celsius (°C), l'incrément ou l'écart de température (dT) doit être suffisant pour assurer l'échange thermique. Sans cet écart, le transfert ne serait pas possible, ou serait très difficile et donc énergivore.

Afin de chauffer le fluide primaire, le système dans lequel se trouve l'échangeur de chaleur va récupérer l'énergie produite par les résistances ou les produits de combustion (gaz...).

L'efficacité d'un échangeur à plaques dépend de la différence de température entre les deux fluides échangés, de la conductivité du matériau utilisé, et de la réduction des pertes de chaleur.

La puissance maximale serait obtenue avec un échangeur idéal, à contre-courant, infiniment long et sans pertes de chaleur.

7. Quel est le temps de retour sur investissement (ROI) de la mise en place d'un échangeur de chaleur ?

Le retour sur investissement va dépendre de l'application et du secteur dans lequel est installé l'échangeur thermique. Sur un système de récupération de chaleur fatale, la puissance de l'échange, une fois valorisée par le coût de l'énergie récupérée permet d'estimer le ROI de l'installation.

8. Comment financer la mise en place de votre installation d'échangeurs thermiques ?

Les Certificats d'Economies d'Energie (CEE) ou primes CEE permettent de financer toute ou une partie de l'installation de vos échangeurs de chaleur. Les fiches concernées sont :

• IND-BA-112 : SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR UNE TOUR AÉRORÉFRIGÉRANTE
  
  
• IND-UT-103 : SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR UN COMPRESSEUR D’AIR
  
  
• IND-UT-117 : SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR UN GROUPE DE PRODUCTION DE FROID
  
  
• IND-UT-118 : BRÛLEUR AVEC DISPOSITIF DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR FOUR INDUSTRIEL
  
  
• AGRI-TH-104 : SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR UN GROUPE DE PRODUCTION DE FROID HORS TANK À LAIT
  
  
• AGRI-TH-105 : RÉCUPÉRATEUR DE CHALEUR SUR TANK À LAIT
  
  
• AGRI-TH-109 : RÉCUPÉRATEUR DE CHALEUR À CONDENSATION POUR SERRES HORTICOLES
  
  
• AGRI-TH-113 : ÉCHANGEUR-RÉCUPÉRATEUR DE CHALEUR AIR/AIR DANS UN BÂTIMENT D’ÉLEVAGE DE VOLAILLES
  
  
• BAT-TH-110 : RÉCUPÉRATEUR DE CHALEUR À CONDENSATION
  
  
• BAT-TH-139 : SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE CHALEUR SUR UN GROUPE DE PRODUCTION DE FROID
  
  
• BAT-TH-154 : RÉCUPÉRATION INSTANTANÉE DE CHALEUR SUR EAUX GRISES
  
  
• RES-CH-108 : RÉCUPÉRATION DE CHALEUR FATALE POUR VALORISATION SUR UN RÉSEAU DE CHALEUR OU VERS UN TIERS (FRANCE MÉTROPOLITAINE)