Bien choisir un échangeur de chaleur

Les échangeurs de chaleur, aussi appelés échangeurs thermiques, sont des équipements qui permettent de transférer de l’énergie thermique d’un fluide « chaud » à un fluide « froid », au travers d’une paroi d’échange, sans les mélanger. Les échangeurs de chaleur sont extrêmement répandus dans l’industrie car le transfert d’énergie thermique est au cœur de nombreux process (chauffage ou refroidissement d’un produit, condensation de vapeurs ou évaporation de liquides, etc.) mais on les retrouve également dans les problématiques d’économies d’énergies (récupération d’énergie perdue, optimisation), l’automobile, le chauffage et la climatisation, etc.

Il existe de nombreuses formes d’échangeurs répondant à des besoins particuliers mais la majorité des échangeurs industriels peuvent être rangés dans deux types principaux : les échangeurs à tubes et les échangeurs à plaques.

Consulter les échangeurs de chaleur

Comment choisir un échangeur de chaleur ?

Vous pourrez trouver un échangeur de chaleur standard chez de nombreux fabricants, mais si vous avez un besoin spécifique, ils pourront aussi vous proposer un échangeur sur mesure en fonction de vos conditions d’utilisation et de votre environnement. Votre choix se fera notamment en fonction :

Du type d’échangeur souhaité :
- Les échangeurs les plus courants sont les échangeurs de chaleur tubulaires (un fluide circule dans des tubes disposés dans une enveloppe, « la calandre », qui contient un deuxième fluide).
- Les échangeurs de chaleur à plaques et joints proposent une alternative intéressante en termes d’encombrement et de coût (les fluides circulent entre des plaques métalliques sans se mélanger).
- Les échangeurs de chaleur à plaques soudées, dont le fonctionnement est similaire à celui des échangeurs à plaques et joints.
- Les échangeurs de chaleur à plaques brasées, notamment utilisés en génie climatique.
Des conditions de fonctionnement, notamment de la température, du débit et de la pression des fluides à l’entrée et à la sortie de l’échangeur.
Du type de fluide en circulation de chaque côté de l’échangeur et de ses propriétés physiques et chimiques.
Des contraintes d’installation, d’entretien et de maintenance.

Avec ces éléments, les fabricants vous aideront à déterminer la puissance thermique de l’échangeur dont vous avez besoin, ainsi que ses caractéristiques dimensionnelles.

Type d’échangeur	Avantages	Inconvénients
Échangeur tubulaire	Grandes dimensions possibles. Supporte des fluides avec une différence de température en entrée très importante. Supporte des pressions très élevées. Pertes de charge des fluides en circulation limitées, que ce soit dans la calandre ou dans les tubes.	L’échange thermique entre les deux fluides est correct mais les échangeurs à plaques offrent une meilleure efficacité énergétique. Entretien difficile, notamment pour les échangeurs de très grandes dimensions.
Échangeur à plaques et joints	Compact. Bonne efficacité énergétique du fait des turbulences provoquées par la forme des plaques. Autonettoyant. Démontage facile. Possibilité de faire varier le nombre de plaques.	Températures maximales comprises entre 150 et 200 °C. Pression maximale de 25 bars. La perte de charge est importante pour les deux fluides en raison des turbulences provoquées par la forme des plaques.
Échangeur à plaques brasées	Très compact. Bonne efficacité énergétique du fait des turbulences provoquées par la forme des plaques. Autonettoyant. Démontage possible. Nettoyage haute pression possible. Certains échangeurs peuvent supporter des pressions jusqu’à 140 bars.	La température des fluides en entrée est limitée à 200 °C. La perte de charge est importante pour les deux fluides en raison des turbulences provoquées par la forme des plaques.
Échangeur à plaques soudées	Très compact. Bonne efficacité énergétique du fait des turbulences provoquées par la forme des plaques. Autonettoyant. Nettoyage haute pression possible. L’utilisation de soudures permet de supporter des différences de températures importantes entre les fluides en entrée : les températures supportées sont comprises entre -40 et +500 °C.	Démontage impossible. Pression maximale de 30 bars. La perte de charge est importante pour les deux fluides en raison des turbulences provoquées par la forme des plaques.

Pourquoi choisir un échangeur tubulaire ?

Échangeur de chaleur tubulaire de la marque Bowman

La technologie des échangeurs de chaleur tubulaires est la plus ancienne, mais elle est toujours très utilisée dans l’industrie, car très fiable notamment pour les fluides à forte pression ou très visqueux. Les échangeurs thermiques à tubes sont constitués de tubes dans lesquels circule un premier fluide. Ces tubes sont disposés dans une calandre qui contient un deuxième fluide.

Ces échangeurs peuvent être de très grandes dimensions et répondre à des besoins d’échange thermique très importants. Leur maintenance peut être plus compliquée que pour les échangeurs à plaques du fait justement de leurs dimensions et de l’encrassement éventuel à l’intérieur des tubes. De plus, le rendement d’un échangeur à tubes est inférieur à celui d’un échangeur à plaques.

Les matériaux utilisés dépendant des fluides en circulation, la calandre doit être compatible avec le fluide qui circule à l’intérieur et les tubes doivent également être compatibles avec les deux fluides.

Certains fabricants proposent des échangeurs de chaleur à tube spiralé pour limiter l’encombrement.
Pourquoi choisir un échangeur à plaques ?
Échangeur à plaques de la marque FISCHER

Les échangeurs de chaleur à plaques présentent de nombreux avantages par rapport aux échangeurs thermiques à tubes. À performances équivalentes, ils sont plus compacts, plus légers et offrent un meilleur rendement.

Il existe différentes technologies pour les échangeurs thermiques à plaques, mais le principe de base reste similaire : les fluides circulent entre les différentes plaques très fines et corruguées (striées de manière transversale pour provoquer des turbulences) qui assurent l’échange thermique. Entre les plaques, les fluides peuvent circuler à contre-courant, ce qui augmente l’efficacité du transfert thermique. Selon les modèles, le nombre de plaques peut être facilement augmenté pour obtenir une surface d’échange très importante sans accroître de façon excessive l’encombrement de l’échangeur.

Du fait de l’écoulement turbulent des fluides, ils sont généralement autonettoyants. Par contre, ces turbulences provoquent des pertes de charge importantes pour les deux fluides.

Ces échangeurs peuvent être fabriqués avec des matières spécifiques pour plus de légèreté et une meilleure résistance à la corrosion. Vous trouverez ainsi des échangeurs de chaleur en inox, des échangeurs de chaleur en titane, etc.

Les échangeurs de chaleur à plaques se décomposent en trois grandes familles :
- Les échangeurs de chaleur à plaques et joints : chaque plaque est équipée d’un joint d’étanchéité périphérique et l’ensemble des plaques est compressé entre deux plaques boulonnées. Ce type d’échangeur de chaleur est modulaire : vous pouvez facilement augmenter ou diminuer le nombre de plaques pour modifier la puissance de l’échangeur en jouant sur la surface totale d’échange et ainsi moduler les températures des fluides en sortie d’échangeur. La maintenance de ces échangeurs est relativement facile. Par contre, ils ont une résistance limitée aux pressions et aux températures élevées, de l’ordre de 150 à 200 °C pour une pression de 25 bars au maximum. Vous devez aussi veiller à ce que les matériaux utilisés pour les plaques et les joints soient compatibles avec les fluides en circulation.
- Les échangeurs de chaleur à plaques brasées : les plaques sont brasées entre elles au cuivre ou au nickel, ce qui permet d’obtenir des échangeurs compacts et monoblocs. Ces échangeurs résistent à des températures de l’ordre de 200 °C et à 30 bars de pression. Par contre, il n’est pas possible de faire varier le nombre de plaques pour modifier la puissance de l’échangeur. Ils sont généralement plus chers que les échangeurs à plaques et joints mais leur durée de vie est supérieure et il est facile de les nettoyer grâce à un nettoyage à haute pression. Ce type d’échangeur reste démontable pour la maintenance.
- Les échangeurs de chaleur à plaques soudées : les plaques sont soudées les unes aux autres, ce qui rend ces échangeurs plus résistants que ceux à plaques brasées. De même, ils résistent mieux aux températures et aux pressions élevées que les autres modèles à plaques (entre -40 et +500 °C, pour une pression maximale de 30 bars). Cependant, il n’est pas possible de faire varier le nombre de plaques pour modifier la puissance de l’échangeur. Il est facile de les nettoyer grâce à un nettoyage à haute pression, mais il n’est pas possible de les démonter.