Economie et écologie commandent la maîtrise des consommations d'énergie, donc une élévation des rendements des processus industriels. Cet objectif de performance énergétique par la maitrise et la rationalisation de l’énergie pour une meilleure efficacité, passe en particulier par l’optimisation des différents organes et composants techniques des procédés. Parmi eux,  les échangeurs de chaleur (ou échangeurs thermiques) constituent un des organes majeurs car ils occupent une place centrale dans tous les systèmes thermiques de l'industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire (IAA), production d’énergie), de l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial, le bâtiment résidentiel ou le tertiaire. A preuve, plus de 90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur[1]. Il s'agit donc bien d' un élément omniprésent et essentiel de la stratégie de performance énergétique. Quels sont les enjeux actuels autour de ce composant, notamment dans l’objectif d’efficience énergétique ?

1. Les fonctions d’un échangeur de chaleur

Un échangeur thermique  a pour principale fonction de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre fluide à des niveaux de température distincts, mais ses fonctionnalités sont extrêmement diverses et variées[2] :

• préchauffeur ou refroidisseur d’un liquide ou d’un gaz comme, le radiateur d’huile d’une voiture qui permet de refroidir l’huile à l’aide de l’air ambiant ;
• récupérateur thermique qui permet d’introduire la récente notion de valorisation de l’énergie thermique d’un procédé : la fonction de l'échangeur est alors d’assurer le transfert d’une capacité thermique maximale afin de permettre une valorisation maximale du rejet thermique sur des critères énergétiques et économiques ;
• émetteur thermique dont les équipements ont pour fonction d’associer réception d’énergie thermique et transmission vers l’usage : l’exemple le plus courant étant le radiateur domestique ;
• déshumidificateur ou condenseur partiel, ce qu'est  le déshumidificateur d’air humide qui permet d’assurer un contrôle de l’humidité de l’air, comme dans un local accueillant une piscine ;
• évaporateur ou condenseur qui assure l’évaporation ou la condensation complète ou partielle d’un liquide dans différents procédés notamment de production de froid (cycle à compression comme les pompes à chaleur ou les réfrigérateurs) ou la production d’énergie mécanique puis électrique (générateur de vapeur d’une centrale thermique). 

Toutes ces fonctions sont donc assurées par un seul et même composant, l’échangeur de chaleur qui, sous l'angle énergétique, sera efficace lorsqu'il permet de transférer la puissance la plus importante possible par le process avec un minimum de surface (donc de matière), tout en minimisant les pertes de charges qui conditionnent les consommations des auxiliaires nécessaires pour véhiculer les fluides (pompes et ventilateurs). On obtient ce résultat par ce que l'on appelle le pincement, c'est-à-dire l’écart de température le plus faible entre les deux fluides. Mais minimiser le pincement amène paradoxalement à augmenter de façon importante la surface d’échange, donc le coût matière,  ainsi que bien souvent les pertes de charges. D’un point de vue concret  (Figure 1), on peut voir que  :

• plus l’échangeur est efficace, plus la puissance thermique transférée est élevée et plus le pincement doit être faible ;
• plus l’échangeur est efficace, plus la surface d’échange doit être importante et plus la longueur de l’échangeur devra être importante, donc plus les pertes de charges, donc la consommation des auxiliaires, augmentent et engendrent de fait une consommation énergétique élevée ;
• plus on souhaite diminuer le pincement et plus cela demande un effort important sur la longueur et donc sur la surface d’échange.

Un des défis de l’utilisation rationnelle de l’énergie passe donc par l’utilisation, entre autres, de technologies permettant d’optimiser ces différents critères.

2. Les voies actuelles et les  perspectives de développement technologique 

La variété des fonctions impose donc une variété de technologies qui est grande. Sur la base de critères strictement technologiques3, plusieurs classes d'échangeurs peuvent être distinguées (Figure 2).   

Les échangeurs tubulaires (tubes et calandre, coaxial, entre autres) sont les plus répandus et représentent près de 50% des parts de marché mondial. Les échangeurs dits compacts (type échangeurs à plaques) ont connus une croissance importante à partir des années 1990 et tendent aujourd’hui à s’imposer dans des process de plus en plus nombreux. Ces derniers permettent justement, lorsqu’ils sont bien dimensionnés et par rapport aux technologies tubulaires usuelles, d’accroître le transfert de chaleur sans pour autant augmenter les pertes de charge. Cependant, la grande adaptabilité des échangeurs tubulaires (tenue en pression et en température, diversité des matériaux, notamment) rend souvent difficile d’assurer leurs remplacements par d’autres technologies.

En 2019, les industriels s’efforcent de proposer des structures géométriques nouvelles, bien souvent optimisées afin d’accroître la performance thermique des échangeurs actuels. L’optimisation des performances d’une technologie d’échangeur doit être réalisées selon deux points de vue :

• l’optimisation thermique qui consiste à transférer de plus en plus de puissance avec un minimum de surface d’échange, donc un gain matière ;
• l’optimisation hydraulique qui cherche à générer le moins de pertes de charge possibles lors du transfert de chaleur.

La première méthode permet ainsi de maximiser l’échange de puissance tandis que la seconde permet in fine de minimiser les consommations énergétiques des auxiliaires. Cependant, les temps de développement de nouvelles structures géométriques restent longs et de fait coûteux : depuis les années 1990, les  innovation de rupture ont été rares dans ce domaine.

En outre, le développement de nouvelles technologies disruptives reste marginal tant les investissements sont lourds pour atteindre ce résultat. Seules quelques start-up et/ou quelques  industriels  dans des domaines très pointues et/ou à haute valeur ajoutée (automobile, aéronautique, aérospatiale) conduisent de tels développement avec bien souvent des enjeux financiers et énergétiques importants à la clé.  A noter que le développement récent des méthodes de fabrication par impression 3D (fabrication additive) offre de nouvelles perspectives très intéressantes via la possibilité de construire des surfaces auparavant impossibles à fabriquer avec les procédés conventionnels (usinage, soudure, entre autres).

3. L'importance du dimentionnement dans l’efficience énergétique des procédés

Au-delà du développement technologique, il est cependant possible d’apporter une réponse concrète, et surtout plus rapide, en vue d’améliorer l’efficacité énergétique des process utilisant les échangeurs : il s'agit du  bon dimensionnement qui consiste à calculer la surface d’échange nécessaire pour obtenir les performances désirées (puissance, température de sortie).  Suivra la détermination des pertes de charge engendrées par la circulation des fluides afin de vérifier la concordance avec le cahier des charges et les objectifs de ce dernier.

À l’évidence, le fait de disposer d’un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain non-négligeable de rendement et donc d’énergie dans les process. Cependant, le processus de dimensionnement reste délicat et souvent peu précis, car il fait appel à une grande part d’empirisme  tant la science qu’on appelle la thermique est complexe. Résultat : le choix fréquent, par précaution,  d'hypothèses de dimensionnement qui conduisent les concepteurs et les ingénieurs à proposer des échangeurs surdimensionnés, donc non optimisés. Cette pratique  est malheureusement un choix judicieux du point de vue du concepteur, car le risque de sous-dimensionnement, donc de performances demandées non-atteignables, est bien plus lourd qu’une mauvaise optimisation. Dans ce contexte, sont plus que jamais indispensables l’expertise de l’homme-métier, mais également l’impérieuse nécessité de maitriser, via la formation et le retour d’expérience transmis par les précédentes générations, les connaissances autour du dimensionnement et des bonnes pratiques indispensables pour aboutir à un design optimisé répondant bien aux besoins.

4. Conclusions

Il n’existe à ce jour aucun domaine de l’ingénierie qui ne soit confronté à des problèmes de thermique, ce qui rend sa  connaissance  de plus en plus nécessaire et stratégique. Il convient donc de maximiser les efforts vers l’apprentissage et la sensibilisation des actuels et futurs acteurs aux nouvelles technologies et aux bonnes pratiques de design permettant d’aboutir à des développements et à des choix technologique justes, adaptés et bien dimensionnés : en bref des échangeurs efficients pour une industrie efficiente.

Notes et références

[1]BONTEMPS, GARRIGUE, GOUBIER, HUETZ, MARVILLET, MERCIER et VIDIL. 1995. Echangeurs de chaleur - Description des échangeurs. s.l. : Edition Techniques de l'ingénieur, 1995. Ref: B2341.

[2]MARVILLET.C et WEBER.C ;e.book du GRETh. Echangeurs Thermiques : Technologies, conception et dimensionnement, TOME 1, Chapitre 1 : Technologies des échangeurs de chaleurs.l. : Edition GRETh, 2019.

A lire pour plus de détails dans encyclopedie-energie.org

• Les échangeurs de chaleur par Christophe Weber et André Manificat

Un article de Christophe WEBER :  Ingénieur Thermicien, Ph.D. – Directeur Général du GRETh (Groupement pour la Recherche sur les Echangeurs Thermiques).

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