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Principes fondamentaux d’un échangeur de chaleur

L’échange de chaleur est un phénomène naturel se produisant dans notre environnement. Il contribue aux cycles météorologiques et à l’échange d’énergie entre les écosystèmes. Depuis plus d’un siècle, notre objectif au sein de l’industrie est d’exploiter son utilité grâce à un contrôle exact de l’échange de chaleur.

Les échangeurs de chaleur permettent de contrôler les dynamiques du transfert de chaleur entre les liquides. Ils sont utilisés dans une multitude d’applications, telles que le chauffage solaire, le chauffage des piscines, les chauffe-eau résidentiels, le chauffage par rayonnement des planchers, la transformation alimentaire, les applications marines, le contrôle général des procédés industriels et bien plus.

Les équations thermodynamiques paramétriques figurant aux pages suivantes définissent la nature de l’échange thermique et le rendement d’un échangeur de chaleur pour une application donnée. Lorsque ces paramètres thermiques sont établis, ils peuvent être utilisés pour calculer le rendement d’un échangeur de chaleur et sélectionner le produit convenant à une application précise.

Chaleur théorique d’un liquide

Le principe du transfert thermique des échangeurs de chaleur est basé sur un fluide plus froid absorbant la chaleur d’un fluide relativement plus chaud séparé par un matériau conducteur de chaleur et qui s’écoule par-dessus ce dernier. On le calcule à l’aide de la formule de l’équation 1

Qt = Charge thermique totale
m = Débit massique du fluide.
Cp = Chaleur spécifique du liquide à pression constante.
ΔT = Changement de température du fluide

Cette formule permet d’obtenir le rendement calorifique théorique d’un fluide subissant un changement de température, ΔT à un débit massique, m selon la propriété thermique spécifique du fluide, Cp.

Contrôle du transfert de chaleur pratique

Le rendement thermique théorique d’un fluide indique la quantité de chaleur qui doit être transférée dans ou depuis un fluide. Le transfert de chaleur pratique est une fonction de la géométrie physique de l’échangeur de chaleur, de sa composition matérielle et de l’état du fluide.

La forme générale de l’équation définissant le transfert de chaleur potentiel maximal par un échangeur est exprimée par la formule suivante:

U = Coefficient de transfert de chaleur global
A = Surface
LMTD = Différence de température moyenne logarithmique

Le contrôle du transfert de chaleur pratique est déterminé par les interactions thermodynamiques moléculaires entre les fluides circulant dans l’échangeur de chaleur et la géométrie de ce dernier.
La valeur U globale est calculée à l’aide d’une équation liée à la configuration géométrique de l’échangeur de chaleur. Il s’agit d’une fonction dérivée de nombres sans dimension tels que le nombre de Reynolds (Re), le nombre de Prandlt (Pr), ainsi que les paramètres de débit de fluide. La valeur U globale est calculée pour la surface totale A de l’échangeur de chaleur où les fluides procèdent à l’échange de chaleur.

La différence moyenne logarithmique des températures d’entrée et de sortie (LMTD) des fluides chauds et froids pour un échangeur à contre-courant est exprimée par la formule suivante:

La différence moyenne logarithmique des températures d’entrée et de sortie (LMTD) des fluides chauds et froids pour un échangeur à contre-courant est exprimée par la formule suivante:

Thi = Température d’entrée du fluide chaud
Tco = Température de sortie du fluide froid
Tho = Température de sortie du fluide chaud
Tci = Température d’entrée du fluide froid

La valeur d’échange de chaleur pratiqueQp, peut être comparée à la valeur théorique Qt, pour déterminer si l’échangeur offre une capacité suffisante pour satisfaire aux exigences de l’application.

Solutions uniques AIC

Les formules plus haut déterminent le rendement théorique de base d’un échangeur de chaleur, peu importe le type ou le matériau. Cependant, pour choisir l’échangeur de chaleur le plus approprié pour une application précise, il faut tenir compte d’autres variables : compatibilité des matériaux avec les liquides du système, optimisations de rendement, caractéristiques nominales, exigences de certification, contraintes d’installation et d’entretien, disponibilité des produits, etc.

Chez AIC, nos années de spécialisation dans la conception d’échangeurs de chaleur et nos connaissances techniques du domaine du transfert thermique nous permettent d’offrir des solutions distinctes et polyvalentes pour des applications qui vont du chauffage des piscines aux systèmes contenant des substances mortelles. En tant qu’entreprise de fabrication et de recherche de pointe, nos percées, dont la technologie de condensation et les conceptions à microtubes, démontrent notre engagement à offrir la meilleure solution et le meilleur service à nos clients.

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