La conception d’un échangeur de chaleur repose sur la compréhension des processus de transfert de chaleur, tels que :
- Convection forcée : ce phénomène décrit le transfert de chaleur entre une surface et un fluide en mouvement, induit par des dispositifs mécaniques comme des pompes ou des ventilateurs.
- Conduction : ce mode de transfert se produit à travers les matériaux solides de l’échangeur, sans mouvement de matière, basé sur l’agitation thermique.
- Rayonnement thermique : généralement considéré comme mineur dans les échangeurs de chaleur.
Note : les informations fournies ici sont simplifiées pour une meilleure compréhension. Le calcul d’un échangeur thermique dans la pratique peut impliquer des paramètres plus complexes et des formules avancées.
Étapes clés pour le dimensionnement d’un échangeur thermique
1. Sélection technologique
Choisir la technologie adéquate pour un échangeur implique de considérer :
- Les objectifs thermiques (températures souhaitées, efficacité de l’échangeur…).
- La nature des fluides impliqués.
- Les exigences spécifiques du client.
- Les contraintes d’espace et de maintenance.
Ces facteurs déterminent le type d’échangeur (à plaques, tubulaire, Platulaire®, etc.) et les matériaux à utiliser.
Le Heat Exchanger Advice Tool réalise ce premier tri pour vous, à partir de 10 critères.
2. Dimensionnement thermique
Après avoir choisi la technologie, on procède au dimensionnement thermique :
2.a. Validation du programme thermique
Les spécifications thermiques sont validées en utilisant des formules pour définir la puissance, la surface et la géométrie de l’échangeur.
2.b. Calcul de la surface d’échange
La surface nécessaire est estimée à partir de la différence de température logarithmique moyenne (DTLM) et de la puissance totale échangée, avec la formule :
P totale échangée = K × S × ΔTLM
Où K est le coefficient d’échange et S est la surface en m².
2.c. Détermination du coefficient d’échange (K)
Le coefficient K prend en compte l’encrassement et est calculé à partir des propriétés des fluides et des conditions d’opération.
3. Calcul des pertes de charge
Les pertes d’énergie dues aux frottements et aux obstacles dans le parcours du fluide sont évaluées pour garantir la circulation adéquate à travers l’échangeur.
Les étapes de dimensionnement thermique et de calcul des pertes de charge sont interdépendantes et itératives.
Rendement et efficacité d’un échangeur thermique
Il est crucial de distinguer le rendement de l’efficacité d’un échangeur. L’efficacité est idéalement de 1, indiquant aucune perte de chaleur. Le rendement, quant à lui, est déterminé par les exigences de l’application et est souvent spécifié par le client. L’objectif est d’atteindre le meilleur compromis entre les besoins en température et la consommation d’énergie.