Qu’est-ce qu’un échangeur thermique ?

Dans une chaudière ou un chauffe-eau, l’échangeur thermique est l’élément qui permet le transfert de l’énergie calorifique, autrement dit la conductivité thermique, d’un fluide vers un second qui alimentera les équipements de chauffage (radiateurs à eau, plancher chauffant). Dans le cadre d’un système de production d’eau chaude sanitaire, le premier fluide dit « chauffant » également appelé fluide primaire viendra directement chauffer l’eau sanitaire. Ce transfert de chaleur se faisant sans que les deux liquides ne se mélangent, l’utilisation d’un matériau conducteur dans la composition de l’échangeur thermique est nécessaire pour favoriser de manière optimale les échanges de chaleur, tout en évitant le maximum de déperditions thermiques.

Dans le domaine industriel, les échangeurs thermiques ont également des applications très diverses :

  • le préchauffage ou le refroidissement d’un liquide ou d’un gaz ;
  • la récupération thermique pour valoriser l’énergie thermique émise par un procédé industriel ;
  • le refroidissement d’un gaz ou d’un liquide pour dissiper l’énergie thermique qui ne peut être valorisée ;
  • la captation et l’émission thermique pour restituer la chaleur ;
  • l’évaporation d’un liquide ;
  • l’humidification pour faire passer un gaz à l’état liquide ;
  • la déshumidification d’un gaz.

L’échangeur thermique souffle le chaud et le froid

Dans les systèmes de climatisation ou encore les réfrigérateurs, l’échangeur thermique a pour mission de refroidir le fluide caloporteur.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’un échangeur thermique est assez simple et implique la présence de deux liquides, de même nature ou non, séparés par une paroi faite d’un matériau très conducteur (aluminium, acier, inox ou encore en cuivre). Pour qu’il y ait échange de chaleur, il faut qu’il existe une différence de température entre les deux fluides. La chaleur circule, en effet, toujours du plus chaud vers le plus froid. Ainsi le fluide primaire va être chauffé dans l’échangeur thermique grâce à l’énergie créée lors de la combustion de gaz, de fioul ou produite par des résistances électriques, la récupération de l’énergie solaire… Une fois chauffé, le liquide primaire transmet par contact sa chaleur au liquide secondaire qui vient ensuite alimenter le circuit de chauffage ou produire l’eau chaude sanitaire.

Pour que l’échange soit efficace, les fluides doivent circuler soit :

  • à contre-courant : un des liquides entre par le bas de l’échangeur thermique, l’autre par le haut ;
  • à courant croisé : un des fluides circule verticalement, l’autre horizontalement ;
  • à co-courant : les deux liquides vont dans le même sens. Ce type de circulation peut être utilisée, mais est bien moins efficace.

Les procédés à contre-courant et à courant croisés sont les plus fréquents car ils permettent un meilleur rendement. Pour davantage d’efficacité, certains échangeurs thermiques « hybrides » utilisent plusieurs procédés à la fois, comme :

  • les échangeurs en épingle ou en U : le fluide secondaire fait un aller-retour dans le fluide primaire, d’abord en co-courant puis à contre-courant ;
  • les échangeurs à contact direct : les fluides sont mis en contact direct, à condition qu’ils soient dans un état différent qui les empêche de se mélanger, comme de l’eau et de l’air.

Hormis la circulation des fluides, d’autres facteurs participent à l’efficacité des transferts de chaleur :

  • le type de fluide (eau, eau glycolée, éthylène glycol, polypropylène-glycol…) ;
  • le matériau de la paroi (aluminium, acier, inox, cuivre) pour limiter au maximum les pertes de chaleur ;
  • la vitesse du fluide ;
  • la différence de température entre les deux fluides.

Service gratuit

Réduisez votre facture d’électricité et gaz

Nos experts énergie vous aident à économiser jusqu’à 200 € sur votre facture gaz et électricité

De 8h à 20h du lundi au vendredi, le samedi de 9h à 17h

vous préférez être rappelé ?

De 8h à 20h du lundi au vendredi, le samedi de 9h à 17h

Le rendement de l’échangeur thermique

L’échangeur de chaleur participe de loin à l’efficacité d’un système de chauffage ou de production d’eau chaude. Plus les échanges de chaleur sont efficaces et les pertes de chaleur minimes, plus le rendement de l’échangeur thermique est élevé et plus généralement celui du système de chauffe, de production d’eau chaude sanitaire ou encore de la climatisation. Une meilleure efficacité qui permet d’une part de gagner en confort thermique et d’améliorer le bilan énergétique d’un logement, mais aussi de réaliser de substantielles économies sur ces factures d’énergie.

La performance d’un échangeur thermique dépend de plusieurs indicateurs qui déterminent sa capacité à refroidir ou à réchauffer plus ou moins rapidement un fluide en limitant les déperditions d’énergie. Son évaluation est complexe et dépend notamment de la nature des fluides mis en présence et de leur état (liquide ou gazeux).

Retrouvez ci-dessous les principaux paramètres à prendre en compte pour évaluer les performances d’un échangeur thermique :

  • le coefficient de transfert thermique, qui mesure la capacité d’un échangeur thermique à transférer la plus grande partie de l’énergie calorifique d’un fluide à l’autre. Il dépend pour beaucoup des matériaux utilisés, qui doivent être d’excellents conducteurs, comme le cuivre ou l’acier, mais aussi de leur épaisseur et de la surface de contact ;
  • l’écart de température entre les fluides, lequel, plus il est important plus le transfert d’énergie entre les fluides sera efficace et rapide. Le choix du procédé utilisé pour chauffer ou refroidir le fluide primaire est déterminant pour faire le bilan énergétique global de l’échangeur ;
  • la capacité thermique des fluides utilisés, c’est-à-dire la capacité d’un fluide à absorber ou à restituer de l’énergie par échange thermique. Exprimée en joule par kilogramme kelvin (J K-1 kg-1), cette capacité thermique est variable en fonction de la pression. À pression égale, la vapeur d’eau possède par exemple une capacité thermique deux fois plus importante que l’air ambiant (2010 J K-1 kg-1 contre 1004 J K-1 kg-1) ;
  • le type de convection : si la convection est forcée, c’est-à-dire si les fluides sont mis volontairement en mouvement à l’intérieur du dispositif d’échange thermique (par ventilation par exemple), le transfert de chaleur est plus efficace que si la convection est naturelle.

L’intérêt environnemental et économique des échangeurs thermiques dans le secteur industriel

Les problèmes environnementaux et économiques liés à l’utilisation des énergies fossiles obligent le secteur industriel à améliorer ses performances énergétiques. Dans cette optique, les échangeurs thermiques offrent une solution très intéressante pour récupérer l’énergie thermique issue de procédés industriels afin de la réutiliser, par exemple, pour le chauffage des bâtiments ou pour alimenter d’autres procédés industriels (préchauffage de gaz ou de liquide, évaporation, etc.).

On estime aujourd’hui que près de 90 % de l’énergie thermique issue de l’industrie, tout secteur confondu, passe au moins une fois par un échangeur thermique afin d’être réemployée. C’est déjà beaucoup, mais plus encore pourrait être fait pour améliorer les performances énergétiques globales de nos modes de production industriels.

Les différents types d’échangeurs thermiques pour une application domestique

Il est possible de distinguer plusieurs technologies d’échangeurs thermiques que l’on peut répartir en deux grandes catégories : les échangeurs à eau et les échangeurs à air.

Les échangeurs de chaleur à eau

Dans cette famille d’échangeurs sont répertoriés :

L’échangeur à plaques

Sur ce type d’échangeur, les fluides circulent chacun d’un côté d’une plaque. Le fait que les liquides soient séparés par deux plaques dans lesquelles ils sont emprisonnés favorise les échanges de chaleur d’un fluide à l’autre. Ces échangeurs sont ainsi reconnus pour leur très bon rendement. Ils se sous-divisent en deux catégories :

  • les échangeurs à plaques brasées : ils ne peuvent pas être démontés mais sont autonettoyants. Ils résistent également à des pressions pouvant aller jusqu’à 140 bars ;
  • les échangeurs à plaques et joints : démontables et autonettoyants, ils résistent néanmoins moins bien à la pression. Une pression maximum de 25 bars peut y être observée. Les températures des fluides peuvent osciller entre 150 et 200 °C.

On retrouve ce type d’échangeurs aussi bien dans les systèmes de chauffage, de réfrigération, de climatisation, et même de traitement des eaux.

L’échangeur de type serpentin

Avec ce type d’échangeur, un tube en forme de serpentin plongé dans un liquide va venir chauffer ce dernier. Les ballons tampons avec échangeur qui permettent de stocker le surplus d’eau chaude produite par une chaudière pour la restituer ensuite quand celle-ci est éteinte font grand usage de ce système très simple. Les systèmes de récupération de chaleur sur eaux usées domestiques y ont également parfois recours.

L’échangeur multitubulaire

Pour son fonctionnement, il est composé d’un cylindre dans lequel est immergé un faisceau de tubes (simple ou multipass). Ses caractéristiques lui permettent de supporter des fluides avec des différences de températures importantes, ainsi que des pressions très élevées. C’est pourquoi, on retrouve souvent ce type de grosse installation dans l’industrie.

Les échangeurs à air

On retrouve dans cette catégorie :

L’échangeur de chaleur à plaques

Ce type d’échangeur se caractérise par sa capacité à transférer de la chaleur entre deux flux d’air chaud et froid se croisant entre des plaques. Le rendement de cette technologie bien souvent utilisée sur les chaudières à gaz, mais aussi sur les VMC double flux ou tout autre récupérateur de chaleur peut atteindre 90 %.

La batterie tube ailette

Très courante, cette technologie est constituée d’un faisceau tubulaire, relié par des ailettes. Elle est, par exemple, utilisée dans les chaudières pour capter la chaleur de l’eau circulant dans les tubes ou encore du brûleur. Les chaudières, notamment, se servent de ces échangeurs.

La batterie tube ailette ventilée

Bien que son mode de fonctionnement soit semblable à celui de la batterie tube ailette, ce type d’échangeur, que l’on retrouve sur les unités de climatiseurs, se distingue du précédent par la présence d’un ventilateur. L’action de ce dernier sera de forcer les transferts d’énergie entre les fluides.

L’échangeur micro-canaux

C’est l’un des modèles les plus performants énergétiquement. En effet, bien que fonctionnant sur le même principe que les batteries à ailettes, son rendement est décuplé grâce à l’utilisation de micro canaux à la place des tubes qui permet de réduire les quantités de fluides à l’intérieur et ainsi d’optimiser les échanges de chaleurs. L’utilisation de l’aluminium pour cet échangeur réduit aussi le poids de l’ensemble mais également les coûts de fabrication. C’est ce type d’échangeur qui équipe l’unité extérieure d’une pompe à chaleur, mais aussi dans certains équipements de réfrigération énergétiquement performants.

Service gratuit

Un conseiller spécialisé vous aide dans vos démarches

Déménagement, résiliation, coupure, devis personnalisé, question sur votre facture, le spécialiste énergie de Choisir.com vous aide par téléphone !

De 8h à 20h du lundi au vendredi, le samedi de 9h à 17h

vous préférez être rappelé ?

De 8h à 20h du lundi au vendredi, le samedi de 9h à 17h

Les différents types d’échangeurs thermiques pour des applications industrielles

Très utilisés dans le secteur industriel, les échangeurs de chaleur permettent d’exploiter le gigantesque gisement d’énergie thermique disponible pour produire de la valeur et pouvoir alimenter en énergie « gratuite » de nouveaux procédés industriels. Retrouvez ci-dessous la description des différents types d’échangeurs les plus courants.

L’échangeur tubulaire horizontal

C’est le plus basique de tous les échangeurs. Les tubes contenant le fluide à réchauffer entrent dans un caisson rempli du fluide caloporteur, aussi appelé calandre, puis en ressortent de l’autre côté après un aller simple. Pour améliorer le transfert de chaleur, des chicanes peuvent être placées à l’intérieur de la calandre afin de créer des turbulences. Le faisceau de tubes est, soit fixé à la calandre, soit flottant.

L’échangeur tubulaire vertical

De conception très similaire à celle de l’échangeur tubulaire horizontal, l’échangeur tubulaire vertical est particulièrement adapté aux échanges vapeur/eau. La calandre est remplie de vapeur à haute pression qui réchauffe l’eau circulant dans le faisceau de tubes de haut en bas. L’échangeur vertical occupe moins d’espace au sol qu’un échangeur horizontal et peut être monté en série.

L’échangeur thermique à tubes en U

De conception très simple et permettant de nombreux usages, ce type d’échangeur est le plus fréquent. On le retrouve surtout dans le secteur industriel. Les tubes contenant le fluide secondaire à réchauffer, de l’eau le plus souvent, font un aller-retour dans un caisson rempli de fluide primaire. Les tubes placés dans le caisson forment un U, d’où le nom de cet échangeur.

L’échangeur thermique à spirale

L’échangeur à spirale est constitué de deux tubes enroulés de façon hélicoïdale, le premier contenant le fluide primaire, le second le fluide secondaire. Ce type d’échangeur permet d’utiliser des liquides visqueux ou chargés (eaux usées par exemple) et offre un meilleur rendement qu’un échangeur tubulaire. En revanche, il n’autorise pas d’écarts de température trop importants et tolère mal les pressions élevées.

L’échangeur thermique à plaques eau/eau

Un échangeur à plaques est constitué de plusieurs plaques assemblées en millefeuille et séparées d’un mince interstice au sein duquel circulent les fluides. Les plaques sont bordées d’un joint pour contenir les fluides et éviter qu’ils se mélangent. Ce type d’échangeur, compact et peu coûteux, est de plus en plus utilisé dans l’industrie et dans le génie climatique. Il permet un transfert d’énergie très rapide entre les fluides malgré d’importantes déperditions.

L’échangeur thermique à plaques air/air

De conception similaire aux échangeurs à plaques eau/eau, les échangeurs à plaques air/air sont également constitués d’un assemblage de nombreuses plaques en métal, voire en plastique. Ils permettent de récupérer la chaleur de l’air utilisé pour ventiler, par exemple, un procédé industriel, puis de la transférer à un air sain pour le chauffage d’un bâtiment ou le préchauffage d’un gaz de combustion.

Le condenseur, ou économiseur

Le condenseur est un échangeur thermique qui permet de récupérer la chaleur des fumées de combustion d’une chaudière. Il est constitué d’une série de tubes, éventuellement assortis d’ailettes pour améliorer le coefficient d’échange. Un condenseur peut être utilisé pour préchauffer l’air de combustion, améliorer le rendement d’une chaudière ou chauffer de l’eau à usage sanitaire.

L’échangeur à bloc

Généralement de forme cylindrique ou cubique, ce type d’échangeur de chaleur est constitué d’un bloc en matériau conducteur, comme le graphite, percé de multiples canaux dans lesquels circulent les fluides. Son principal intérêt est d’être résistant aux liquides corrosifs. Il est néanmoins peu résistant aux écarts importants de températures et coûte relativement cher.

L’échangeur à ailettes

Ce type d’échangeur est constitué d’un simple conduit sur lequel sont fixées des lames métalliques améliorant le transfert de chaleur par convection naturelle. Le fluide refroidissant ou à chauffer est le plus souvent l’air ambiant. La plupart des radiateurs domestiques sont ni plus ni moins que des échangeurs à ailettes, tout comme les radiateurs utilisés pour refroidir les moteurs automobiles.

L’échangeur de chaleur rotatif

Un échangeur de chaleur rotatif, ou roue thermique, permet de transférer de la chaleur d’un gaz à l’autre (de l’air le plus souvent). Il est composé d’un grand cylindre contenant une structure interne alvéolée. Un flux d’air chaud, issu de fumées de combustion par exemple, réchauffe les parois du cylindre qui réchauffe à son tour l’air contenu à l’intérieur des alvéoles.

L’entretien de l’échangeur thermique

Pièce essentielle d’un système de chauffe, l’échangeur de chaleur doit être correctement entretenu pour garantir le bon fonctionnement de l’ensemble.

Un élément qui s’encrasse avec le temps

La circulation à longueur d’année d’eau dans le système de chauffage entraîne des accumulations de minéraux comme le calcaire sur différentes parties d’une chaudière qui à terme provoquent l’encrassement du système et notamment de l’échangeur thermique. L’efficacité de ce dernier résidant dans sa capacité à conduire la chaleur d’un fluide vers un autre, son encrassement réduit de facto les surfaces de contacts entre les fluides et de fait l’efficacité du système. Dans le cas des échangeurs thermiques à air, c’est la poussière qui sera la principale responsable de l’encrassement.

L’importance de l’entretien de l’échangeur thermique

L’encrassement de l’échangeur peut avoir plusieurs conséquences :

La surchauffe de l’échangeur

Il est important de surveiller l’entretien d’un échangeur de chaleur sans quoi il pourrait commencer à surchauffer régulièrement. Ce qui pourrait à terme provoquer la panne de l’ensemble du système. Il est à noter que le prix de cette pièce est relativement élevé. Veiller à son bon entretien permet donc d’éviter d’importantes dépenses.

Une usure prématurée

Un échangeur mal entretenu et encrassé aura tendance à travailler de manière constante, ce qui entraînera une usure rapide des pièces du système, notamment de la pompe de circulation, et à terme une panne de la chaudière.

Une baisse de performance

Encrassé, un échangeur thermique sera moins efficace puisque les échanges de chaleur se feront moins bien. Ainsi, 1 mm d’encrassement peut diminuer de 10 % le rendement énergétique d’une chaudière. On passe à 20 % pour 3 mm, 35 % pour 6 mm et 50 % pour 12 mm. Pour chauffer de la même manière, votre installation devra consommer plus d’énergie et vos factures énergétiques augmenteront dans des proportions identiques. Voici récapitulées dans un tableau les pertes de rendement observées en fonction de l’encrassement :

Épaisseur d’encrassement
(en mm)
Baisse de rendement énergétique
(en %)
1 mm-10 %
3 mm-20 %
6 mm-35 %
12 mm-50 %

Une augmentation du bruit

Une chaudière fait du bruit le plus souvent parce qu’à certains endroits l’encrassement du système provoque une concentration de la chaleur. Les dépôts de calcaire n’étant pas uniformes, des fissures s’y forment. Les ébullitions apparaissant au niveau des fissures laissent alors échapper à la surface de l’échangeur des milliers de bulles ce qui crée un bruit inhabituel.

Comment nettoyer un échangeur thermique ?

Le nettoyage du système est plus ou moins simple selon qu’il s’agit d’un échangeur thermique à air ou à eau. Dans les deux cas, même si l’opération peut être réalisée par un particulier, il est tout de même préférable de demander l’intervention d’un professionnel. Cette opération peut être réalisée :

  • lors de l’entretien annuel obligatoire pour une chaudière à gaz ou au fioul (échangeur à ailettes d’une chaudière murale à chambre sèche) ;
  • tous les deux ans pour une pompe à chaleur.

Attention, avant toute intervention de nettoyage, et ce quel que soit le système auquel vous avez à faire, il est important de mettre le système de chauffage hors de tension.

Le nettoyage des échangeurs à eau

Leur entretien est plus délicat, car il nécessite un nettoyage en profondeur pour éliminer les dépôts de tartre. Pour les échangeurs à plaques, il est possible après avoir vidangé le système de :

Utiliser une solution de nettoyage

Il s’agit ici de faire passer une solution de nettoyage à l’aide d’une pompe anti-tartre dont on placera les tuyaux sur l’arrivée et la sorte d’eau. Le liquide de nettoyage circulera en circuit fermé et éliminera les dépôts.

Nettoyer à la main des plaques

Il est également possible d’ouvrir l’appareil pour en extraire les plaques. À l’aide d’une brosse et d’un peu d’eau tiède, les dépôts calcaires pourront être retirés. Si l’encrassement est plus important, l’utilisation d’un jet haute pression est envisageable. Attention tout de même à ne pas dépasser les 30 bars et à diriger le jet perpendiculairement aux plaques au risque de les endommager.

Traiter à l’aide de solutions chimiques

Pour venir à bout des dépôts récalcitrants, l’utilisation de solutions chimiques s’impose. L’échangeur doit alors être déposé dans une cuve dans laquelle est versée :

  • pour enlever le calcaire : de l’acide nitrique à 4 % et à une température de 60 °C. Le bain ne doit pas durer plus d’une heure ;
  • pour supprimer graisse et bactéries : de la soude caustique à 4 %. Laissez tremper 24 h si besoin.

Le nettoyage des échangeurs à air

Cette opération simple peut être réalisée par un particulier. Dans la plupart des cas, un simple dépoussiérage à l’aide d’un aspirateur ou d’un souffleur est suffisant. Un lavage au savon doux et à l’eau peut aussi permettre de réduire l’accumulation de poussière.

Tous les échangeurs ne sont pas démontables

Certains modèles comme les échangeurs à plaques soudées ne sont pas démontables et donc plus difficilement nettoyables. Le recours à un professionnel s’impose.

Le nettoyage des échangeurs à serpentin

Le nettoyage de cet échangeur à eau diffère des autres modèles de la même catégorie. Pour être nettoyé, il doit être plongé dans un bain de vinaigre ou d’une autre solution chimique si le dépôt de tartre est important.

À quelle fréquence doit-on entretenir un échangeur ?

La fréquence de nettoyage des échangeurs dépend de plusieurs paramètres (système, niveau d’encrassement…). Pour les échangeurs à air, un simple dépoussiérage peut être réalisé tous les ans. Pour ce qui est des systèmes d’échange de chaleur à eau, la fréquence d’entretien est fixée à :

  • 4 ans si de l’eau déminéralisée ou purifiée circule dans le système ;
  • 2-3 ans si le système tourne avec de l’eau de ville ;
  • 2 ans si l’eau du circuit est particulièrement dure.

En dehors de ces périodes, certains signes doivent vous alerter sur l’encrassement du circuit :

  • baisse de pression de l’eau chaude ;
  • production d’eau chaude trop souvent sollicitée ;
  • bruits anormaux observés.

Faire des économies en changeant de fournisseur d’énergie

Vous l’aurez compris, l’échangeur thermique est l’élément qui en permettant le passage de la chaleur d’un fluide vers un autre participe de manière évidente au rendement du système de chauffage. Et avec à votre disposition un système plus efficace, énergétiquement parlant, ce sont vos factures d’énergie qui se mettent à baisser.

Si vous êtes à la recherche d’économies sur vos factures énergétiques, sachez que vous pourriez en réaliser plus encore en changeant de fournisseur énergétique.

En effet, depuis l’ouverture du marché de l’énergie en 2007, tout un chacun peut choisir son fournisseur d’énergie et ainsi bénéficier de contrats plus avantageux offrant des réductions sur le prix du kWh et/ou de l’abonnement.

La migration de vos contrats vers un fournisseur alternatif moins cher est une démarche simple, rapide et gratuite. Il suffit de comparer les offres et de choisir celle qui convient le mieux à votre mode de consommation. Le nouveau fournisseur se charge ensuite de résilier votre ancien contrat sans que vous ayez à vivre de coupure de gaz ou d’électricité. Sans engagement, ces contrats peuvent être résiliés à tout moment. Vous pouvez donc, à tout instant, souscrire à nouveau un contrat auprès de votre ancien fournisseur ou d’un autre fournisseur alternatif.

Pour vous faire une idée plus précise des économies que vous pourriez faire, n’hésitez pas à consulter notre comparateur d’énergie.

Service gratuit choisir.com

Êtes-vous sûr de ne pas payer votre énergie trop chère ?

faire une simulation