Les échangeurs de chaleur HVAC expliqués. Dans cet article, nous allons aborder les différents types d’échangeurs de chaleur utilisés dans les applications de CVC et de services aux bâtiments pour les propriétés résidentielles ainsi que commerciales. Nous allons également examiner comment ceux-ci sont appliqués aux composants du système pour conditionner l’environnement construit couvrant le principe de fonctionnement des échangeurs de chaleur CVC communs avec des animations.
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Qu’est-ce qu’un échangeur de chaleur ?
Un échangeur de chaleur est exactement ce que son nom indique, un dispositif utilisé pour transférer (échanger) la chaleur ou l’énergie thermique. Les échangeurs de chaleur reçoivent soit un fluide chaud pour assurer le chauffage, soit un fluide froid pour assurer le refroidissement.
- Un fluide peut être un liquide ou un gaz
- La chaleur circule toujours du chaud vers le froid
- Il doit y avoir une différence de température pour que la chaleur circule
Comment la chaleur est-elle échangée ?
L’énergie thermique est transférée par trois méthodes.
- Conduction
- Convection
- Radiation
La plupart des échangeurs de chaleur à des fins de CVC utilisent la convection et la conduction. Le transfert de chaleur par rayonnement existe, mais il ne représente qu’un petit pourcentage.
Transfert de chaleur par conduction
La conduction se produit lorsque deux matériaux de températures différentes se touchent physiquement. Par exemple, nous plaçons une tasse de café chaude sur une table pendant quelques minutes puis nous retirons la tasse, la table aura conduit une partie de cette énergie thermique.
Transfert thermique par convection
La convection se produit lorsque les fluides se déplacent et emportent l’énergie thermique. Cela peut se produire naturellement ou par une force mécanique comme l’utilisation d’un ventilateur. Un exemple de ceci est lorsque vous soufflez sur une cuillère chaude de soupe. Vous soufflez sur la cuillère pour refroidir la soupe et l’air emporte cette chaleur.
Transfert thermique par rayonnement
Le rayonnement se produit lorsqu’une surface émet des ondes électromagnétiques. Tout, y compris vous, émet un certain rayonnement thermique. Plus une surface est chaude, plus elle émet de rayonnement thermique. Le soleil en est un exemple. La chaleur du soleil voyage sous forme d’ondes électromagnétiques à travers l’espace et nous atteint sans rien entre les deux.
Fluides utilisés
Les fluides utilisés dans le système CVC comprennent généralement de l’eau, de la vapeur, de l’air, du réfrigérant ou de l’huile comme milieux de transfert. Les échangeurs de chaleur HVAC font généralement une des deux choses suivantes : ils chauffent ou refroidissent l’air ou l’eau. Certains sont utilisés pour refroidir ou chauffer des équipements pour des raisons de performance, mais la majorité est utilisée pour conditionner l’air ou l’eau.
Types d’échangeurs de chaleur.
La plupart des échangeurs de chaleur suivent l’une des deux conceptions. Soit la conception en serpentin, soit la conception en plaques. Jetons un coup d’œil aux bases du fonctionnement de ces deux modèles et voyons ensuite comment ils sont appliqués aux échangeurs de chaleur courants dans les systèmes.
Échangeurs de chaleur à serpentin – simplifiés
Les échangeurs de chaleur à serpentin, dans leur forme la plus simple, utilisent un ou plusieurs tubes qui font plusieurs allers-retours. Le tube sépare les deux fluides. Un fluide circule à l’intérieur du tube et un autre circule à l’extérieur. Prenons un exemple de chauffage. La chaleur est transférée du fluide intérieur chaud à la paroi du tube par convection, elle traverse ensuite la paroi du tube vers l’autre côté et le fluide extérieur l’emporte également par convection.
Échangeurs de chaleur à plaques – simplifiés
Les échangeurs de chaleur à plaques utilisent de fines plaques de métal pour séparer les deux fluides. Les fluides circulent généralement dans des directions opposées pour améliorer le transfert de chaleur. La chaleur du fluide le plus chaud est convectée sur la paroi de la plaque, puis conduite à travers l’autre côté. L’autre fluide, qui entre à une température plus basse, l’emporte alors par convection.
Regardons plus en détail comment ces types d’échangeurs de chaleur sont appliqués aux applications CVC.
Bobine de tube à ailettes (fluide)
Les tubes à ailettes sont souvent appelés simplement une bobine, par exemple la bobine de chauffage ou de refroidissement. Ils sont extrêmement courants. Vous les trouverez dans les unités de traitement de l’air, les ventilo-convecteurs, les systèmes de conduits, les évaporateurs et les condenseurs des systèmes de climatisation, à l’arrière des réfrigérateurs, dans les chauffages de tranchées, la liste est longue.
Pour ces échangeurs de chaleur, l’eau, le réfrigérant ou la vapeur circule généralement à l’intérieur et l’air circule à l’extérieur.
Par exemple, pour le chauffage de l’air, en utilisant de l’eau chauffée, l’eau chaude circule à l’intérieur du tube et transfère son énergie thermique par convection à la paroi du tube, il y a une différence de température entre l’eau chaude et l’air donc la chaleur est conduite à travers la paroi du tube. L’air qui passe à l’extérieur emporte cette chaleur par convection.
Les ailettes se connectent généralement entre tous les tubes, elles se situent directement dans la trajectoire du flux d’air et aident à tirer la chaleur du tube et à la faire passer dans l’air car cela agit comme une extension de la surface du tube. Plus de surface = plus d’espace pour le transfert de chaleur.
Échangeur de chaleur à plaques tubulaires
Les échangeurs de chaleur à plaques tubulaires sont utilisés dans les unités de traitement de l’air pour échanger de l’énergie thermique entre les flux d’air d’admission et d’échappement sans transfert d’humidité et sans mélange des flux d’air. L’échangeur de chaleur est fait de fines feuilles de métal, typiquement de l’aluminium, avec les deux fluides de températures différentes circulant dans des directions diagonales opposées. Habituellement, l’air est utilisé dans les deux, mais les gaz d’échappement de quelque chose comme un moteur de cogénération peuvent également être utilisés.
La chaleur d’un flux est convectée sur les fines feuilles de métal qui séparent les flux, cela est ensuite conduit à travers le métal où il est emporté par convection forcée dans l’autre flux.
Réchauffeur de tranchée
Les réchauffeurs de tranchée sont installés autour du périmètre d’un bâtiment généralement sous une fenêtre ou un mur de verre et sont très courants dans les nouveaux bâtiments commerciaux. Les réchauffeurs de tranchée sont installés dans le sol et leur but est de réduire la perte de chaleur à travers le verre ainsi que d’empêcher la formation de condensation.
Ils y parviennent en créant un mur de courants d’air convecteurs. Les chauffages de tranchées utilisent généralement des éléments chauffants à eau chaude ou électriques pour chauffer l’air. Leur position au niveau du sol signifie qu’ils ont accès à l’air le plus froid de la pièce. L’échangeur de chaleur transfère la chaleur à cet air via un tube à ailettes, ce qui a pour effet de réchauffer l’air froid et de le faire monter vers le plafond. Lorsque cet air chaud monte, l’air plus froid de la pièce s’engouffre pour prendre sa place. Cela crée un courant convectif et une frontière thermique entre le verre et la pièce.
Réchauffeur électrique de conduit – élément à serpentin ouvert
Les éléments chauffants à serpentin ouvert sont surtout utilisés dans les applications de conduits, les fours et parfois les ventilo-convecteurs. Ils fonctionnent en utilisant des bobines vivantes exposées de métal hautement résistif pour générer de la chaleur. Ces échangeurs de chaleur sont placés directement dans le flux d’air et, lorsque l’air traverse les serpentins, l’énergie thermique est transférée par convection. Ils fournissent un chauffage uniforme à travers le flux d’air, bien que ceux-ci ne soient utilisés que là où il est sûr de le faire et ne peuvent pas être facilement accessibles.
Échangeurs de chaleur à microcanaux
Les échangeurs de chaleur à microcanaux sont une avancée sur le serpentin à tubes à ailettes fournissant un échange de chaleur supérieur, bien que ceux-ci ne soient utilisés que pour les systèmes de réfrigération et de climatisation. Vous pouvez trouver ce type d’échangeurs de chaleur sur les refroidisseurs à air, les unités de condensation, les AC résidentiels, les séchoirs à air, le refroidissement des armoires et les unités de toit, etc.
Ce type d’échangeurs de chaleur fonctionne également en utilisant la convection comme principale méthode de transfert de chaleur. L’échangeur de chaleur à micro-canaux a une conception simple. De chaque côté se trouve un collecteur, entre chaque collecteur se trouvent des tubes plats entre lesquels se trouvent des ailettes. L’air passe par les interstices des ailettes pour emporter l’énergie thermique.
Le réfrigérant entre par le collecteur et passe ensuite par les tubes plats jusqu’à ce qu’il atteigne l’autre collecteur. Les collecteurs contiennent des chicanes qui contrôlent la direction du flux de réfrigérant et sont utilisés pour boucler le réfrigérant à travers les tubes un certain nombre de fois pour augmenter le temps passé à l’intérieur et ainsi augmenter l’opportunité de transférer l’énergie thermique.
À l’intérieur de chaque tube plat se trouvent un certain nombre de petits trous connus sous le nom de micro-canaux qui courent sur toute la longueur de chaque tube plat. Ces micro-canaux augmentent considérablement la surface de l’échangeur de chaleur, ce qui permet à une plus grande quantité d’énergie thermique de sortir du réfrigérant et d’entrer dans l’enveloppe métallique de l’échangeur de chaleur. La différence de température entre le réfrigérant et l’air provoque la conduction de la chaleur à travers l’enveloppe du tube plat et dans les ailettes. Lorsque l’air passe à travers les interstices, il emporte cette énergie thermique par convection.
Couronne d’évaporateur de foyer
Les évaporateurs de foyer se trouvent généralement dans les grandes maisons et les petites propriétés commerciales avec de petits systèmes de conduits. Vous pouvez obtenir des serpentins plus grands qui fonctionnent sur des principes similaires mais pour des systèmes plus grands principalement pour les CTA dans les bâtiments commerciaux moyens à grands. Le serpentin à l’intérieur de l’évaporateur d’un four fonctionne de la même manière qu’un échangeur de chaleur à tubes à ailettes et utilise un réfrigérant à l’intérieur et de l’air canalisé à l’extérieur. L’air passant à travers les tubes transfère sa chaleur par convection forcée, ceci est ensuite transféré à travers la paroi du tube par conduction, le réfrigérant à l’intérieur transporte cette chaleur par convection forcée, le réfrigérant bout et s’évapore loin vers le compresseur.
Radiateurs
Ceux-ci sont très communs surtout à travers l’Europe et l’Amérique du Nord dans les maisons et les vieux bâtiments commerciaux. Ils sont fixés aux murs, généralement sous une fenêtre, pour assurer le chauffage des locaux. Leur fonction est très simple, ils sont généralement connectés à un tuyau d’eau chaude qui est alimenté en eau chaude par une chaudière.
L’eau entre par un tuyau de petit diamètre et coule à l’intérieur du radiateur. La surface interne du radiateur est plus grande que celle du tuyau, ce qui ralentit la vitesse de l’eau pour laisser plus de temps au transfert de la chaleur.
La chaleur de l’eau est transférée par conduction aux parois métalliques du radiateur. A l’extérieur du radiateur se trouve l’air de la pièce. Lorsque cet air entre en contact avec la surface chaude du radiateur, la chaleur se transfère dans l’air, ce qui provoque une dilatation et une élévation de l’air. De l’air plus froid entre alors en jeu pour remplacer cet air, provoquant un cycle continu d’air en mouvement qui réchauffe la pièce, cet air en mouvement est donc un transfert de chaleur par convection. Le radiateur est généralement équipé d’ailettes à l’arrière ou entre les panneaux, surtout sur les nouveaux radiateurs. Ces ailettes sont là pour augmenter la surface du radiateur afin de permettre un meilleur transfert de la chaleur dans l’air. Les radiateurs sont incorrectement nommés car ils transfèrent principalement par convection.
Parfois vous trouverez des radiateurs spécialement conçus connectés à des systèmes de vapeur mais cela devient moins commun, l’huile était utilisée aussi mais c’est assez rare de nos jours.
Elément chauffant à eau
L’élément chauffant à eau se trouve généralement dans les calorifères et les chauffe-eau, il est aussi parfois utilisé dans le bassin des tours de refroidissement ouvertes pour empêcher l’eau de geler en hiver. Ils utilisent une bobine métallique le long du tube qui a une valeur de résistance élevée. Cette résistance génère de la chaleur. La bobine est isolée pour contenir le flux de courant mais permettre le flux d’énergie thermique. L’élément chauffant est immergé dans un réservoir d’eau et la chaleur est conduite hors de l’élément et dans l’eau. L’eau qui entre en contact avec l’élément chauffant est donc chauffée et cela la fait monter dans le réservoir, de l’eau plus froide s’écoule alors pour remplacer cette eau chauffée où ce cycle va se poursuivre.
Roue rotative
Ce type d’échangeurs de chaleur se trouve généralement dans l’unité de traitement de l’air entre les flux d’air canalisés de soufflage et d’extraction. Ils fonctionnent en utilisant un petit moteur électrique relié à une courroie de poulie pour faire tourner lentement le disque de l’échangeur de chaleur qui se trouve directement dans le flux d’air entre l’évacuation et l’admission d’air frais. L’air passe directement à travers le disque mais entre en contact avec le matériau de la roue. Le matériau du disque de l’échangeur de chaleur absorbe l’énergie thermique d’un flux d’air et, en tournant, il entre dans le second flux d’air où il libère l’énergie thermique absorbée. Ce type d’échangeur de chaleur entraînera une petite quantité de mélange de fluide entre le flux d’air d’admission et d’échappement en raison des petits espaces présents là où la roue tourne, il ne peut donc pas être utilisé là où de fortes odeurs ou des fumées toxiques sont utilisées.
Ces échangeurs de chaleur peuvent être utilisés dans les mois d’hiver pour récupérer la chaleur du flux d’échappement des bâtiments, cette chaleur est capturée par la roue thermique et transférée dans le flux d’admission d’air frais qui sera beaucoup plus froid que l’air à l’intérieur du bâtiment.
Ces échangeurs de chaleur peuvent également être utilisés pendant les mois d’été pour récupérer l’air froid de l’échappement des bâtiments et l’utiliser pour refroidir l’entrée d’air frais.
Chaudière à eau
Vous trouvez de grandes chaudières comme celle-ci principalement dans les bâtiments commerciaux moyens à grands dans les climats plus frais. Les maisons et les bâtiments plus petits utiliseront des versions beaucoup plus petites, généralement fixées au mur. Les deux ont de nombreuses variantes mais ce type est très courant.
Le combustible est brûlé dans la chambre de combustion (généralement du gaz ou du pétrole) et les gaz d’échappement chauds sont poussés à travers un certain nombre de tubes jusqu’à ce qu’ils atteignent le conduit de fumée et soient rejetés dans l’atmosphère. Les tubes et la chambre de combustion sont entourés d’eau. La chaleur se transmet par convection aux parois des tubes et est ensuite conduite dans l’eau, qui est ensuite évacuée par convection. Selon la conception du système, l’eau sort soit sous forme d’eau chauffée, soit sous forme de vapeur. Cette eau est forcée par une pompe, on peut faire varier la vitesse de la pompe ainsi que la quantité de combustible brûlé pour modifier la température et le débit.
Canal thermique
Vous les trouverez dans les chauffe-eau solaires thermiques et dans certains serpentins de CTA à récupération de chaleur. Si nous regardons l’application solaire thermique, nous avons un tube en verre spécial qui est évacué de tout l’air pour créer un vide et qui est ensuite scellé. La couche intérieure du tube est dotée d’un revêtement spécial. Le revêtement et le vide travaillent ensemble pour empêcher la chaleur de pouvoir sortir une fois qu’elle entre dans le tube, il aide ensuite à déplacer cela vers le caloduc au centre.
Le caloduc a une ailette de chaque côté connectée au revêtement du tube pour ramasser l’énergie thermique.
Le caloduc est un long tuyau de cuivre creux scellé qui s’étend sur la longueur du tube de verre et a une ampoule saillante au sommet. L’ampoule est connectée dans un collecteur et de l’eau froide passe par le collecteur pour traverser la tête de l’ampoule.
À l’intérieur du caloduc se trouve un mélange d’eau maintenu à très basse pression. Cette basse pression permet à l’eau de s’évaporer en vapeur avec un faible ajout de chaleur. La vapeur monte alors dans le bulbe où elle va céder sa chaleur à l’eau qui circule dans le collecteur. Lorsque la vapeur cède sa chaleur, elle se condense et redescend pour répéter le cycle. Le tube absorbe le rayonnement thermique, qui est ensuite conduit dans le tube. L’eau à l’intérieur convecte ceci jusqu’au bulbe, la chaleur est conduite à travers la paroi du tube et est emportée par convection dans le courant d’eau.
Poutre froide
Il existe deux types de poutres froides utilisées, passive et active. Les deux sont utilisés principalement dans les bâtiments commerciaux.
Les poutres froides actives fonctionnent en faisant passer un liquide froid, généralement de l’eau, dans un échangeur de chaleur à tubes à ailettes. L’air est ensuite canalisé dans la poutre froide et il sort par des buses spécialement positionnées. Cet air se déplace sur le tube à ailettes et souffle l’air froid dans la pièce. Par conséquent, en utilisant la convection forcée.
Les poutres froides passives utiliseront également un échangeur de chaleur à tube à ailettes, mais elles n’ont pas d’alimentation en air canalisé connectée. Au lieu de cela, elles créent un courant de convection naturel en refroidissant l’air chaud au niveau du plafond. Cet air refroidi descend ensuite et est remplacé par de l’air plus chaud où le cycle se répète.
Chauffeur de cheminée
Les chauffages de cheminée sont courants dans les maisons équipées d’une climatisation par conduits. Ils sont très courants en Amérique du Nord. Les chauffages de four utilisent un échangeur de chaleur placé directement dans la vapeur d’air canalisée. Le combustible est brûlé et le gaz chaud est envoyé à travers l’échangeur de chaleur, la chaleur de celui-ci est convectée dans les parois de l’échangeur de chaleur, l’air canalisé plus froid passe de l’autre côté en provoquant une différence de température de sorte que la chaleur du gaz est conduite à travers la paroi et sera emportée par convection.
Échangeur de chaleur à plaques
Il existe deux principaux types d’échangeurs de chaleur à plaques, le type à joint et le type à plaques brasées. Ces deux types sont très efficaces pour transférer l’énergie thermique, pour une efficacité encore plus grande et un design compact, vous pouvez utiliser des échangeurs de chaleur à micro plaques pour de nombreuses applications. Nous avons couvert tous ces échangeurs de chaleur en détail précédemment.
Les choses de base à savoir sur ces deux types d’échangeurs de chaleur est que le type joint peut être démonté, sa capacité de chauffage ou de refroidissement peut être augmentée ou diminuée simplement en ajoutant ou en retirant des plaques de transfert de chaleur. Vous les trouverez utilisés notamment dans les propriétés commerciales de grande hauteur pour connecter indirectement les refroidisseurs, les chaudières et les tours de refroidissement aux circuits de chauffage et de refroidissement et pour connecter les bâtiments aux réseaux d’énergie de quartier.
Les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont des unités scellées qui ne peuvent pas être démontées, leur capacité de chauffage ou de refroidissement est fixe. Ils sont utilisés pour des applications telles que, les pompes à chaleur, les chaudières combinées, les unités d’interface de chaleur, les calorifères de connexion indirecte etc.
Les deux fonctionnent en faisant passer des fluides, généralement dans des directions opposées, dans des canaux adjacents. Les fluides sont généralement de l’eau et ou un réfrigérant. L’énergie thermique est conveite sur la plaque, elle conduit ensuite à travers la plaque et le fluide de l’autre côté emporte cette énergie par convection.
Pompes à chaleur
Les pompes à chaleur sont utilisées principalement dans les maisons mais parfois dans les propriétés commerciales. Il existe deux principaux types de pompes à chaleur : les pompes à air et les pompes géothermiques. La source d’air est couramment utilisée pour le chauffage de l’air ambiant alors que la source souterraine est plus couramment utilisée pour le chauffage de l’eau.
La source d’air fonctionne comme un système de climatisation mais à l’inverse, au lieu de retirer la chaleur d’une pièce, elle l’ajoute. Un réfrigérant passe du compresseur à l’unité intérieure qui contient un échangeur de chaleur à tubes à ailettes. Le réfrigérant transfère sa chaleur par convection aux parois du tube, puis la conduit de l’autre côté. De l’autre côté se trouve l’air froid de la pièce qui est forcé de traverser l’échangeur de chaleur par un petit ventilateur, ce qui évacue la chaleur par convection. Le réfrigérant s’écoule ensuite vers le détendeur puis vers l’unité extérieure qui est également un échangeur de chaleur à tubes à ailettes ou un échangeur de chaleur à micro-canaux.
Lorsque l’air traverse cet échangeur de chaleur, l’air ambiant va faire bouillir le réfrigérant et capter de la chaleur. Cette chaleur fait ensuite son chemin à travers le compresseur vers l’unité intérieure pour répéter le cycle.
La source au sol fonctionne un peu différemment. Un mélange d’eau et d’antigel est pompé dans des tuyaux dans le sol pour capter la chaleur. Celle-ci est ensuite transférée dans un petit cycle de réfrigération via un échangeur de chaleur à plaques brasées. Le réfrigérant l’achemine vers un second échangeur de chaleur à plaques brasées qui est connecté à une autre boucle d’eau qui, cette fois, transfère sa chaleur dans un réservoir d’eau chaude, généralement par un tube spiralé sans ailettes.
Échangeur de chaleur à coquille et à tube
Les échangeurs de chaleur à coquille et à tube se trouvent généralement dans les refroidisseurs sur l’évaporateur et ou le condenseur, parfois aussi comme refroidisseur d’huile de lubrification.
Ce sont probablement la conception la plus simple d’échangeur de chaleur. Ils ont un conteneur extérieur connu sous le nom de coquille. A l’intérieur de la coque se trouvent un certain nombre de tuyaux appelés tubes. Les tubes contiennent un fluide et l’enveloppe un autre fluide. Les deux fluides sont toujours séparés par les parois des tubes, ils ne se rencontrent ou ne se mélangent jamais. Les fluides sont à des températures différentes, ce qui entraîne un transfert d’énergie thermique entre les fluides et cette énergie thermique traverse les parois des tubes. Lorsqu’ils sont utilisés dans l’évaporateur ou le condenseur, les deux fluides sont l’eau et le réfrigérant. Selon la conception, l’eau peut être dans la coque ou le tube et le réfrigérant sera dans l’autre.
Chiller
Un refroidisseur utilisera soit un échangeur de chaleur à coque et tube, un échangeur de chaleur à plaques ou un échangeur de chaleur à tubes à ailettes. De nombreux refroidisseurs utiliseront en fait une combinaison de tous ces éléments. Par exemple, un refroidisseur à air peut utiliser un échangeur de chaleur à enveloppe et tube pour l’évaporateur, un échangeur de chaleur à tubes à ailettes ou à microcanaux pour le condenseur, un échangeur de chaleur à plaques brasées pour le refroidissement de la lubrification par huile des compresseurs et un échangeur de chaleur à plaques à joints pour connecter indirectement le refroidisseur au circuit de refroidissement central.