Un échangeur de chaleur transfère l'énergie thermique d'une substance chaude en mouvement vers une substance froide en mouvement. On en trouve partout dans la vie quotidienne : les radiateurs qui chauffent votre maison, les serpentins de votre réfrigérateur ou encore votre chauffe-eau. La plupart des échangeurs de chaleur agissent comme des puits de chaleur : ils dissipent rapidement dans l'air ambiant la chaleur accumulée en un autre endroit. Dimensionner correctement ce type d'équipement suppose de connaître trois paramètres essentiels : le matériau de construction, la surface des serpentins et la quantité de chaleur à évacuer.
Les étapes du dimensionnement
1. Identifier le coefficient de transfert thermique
Consultez le coefficient de transfert thermique correspondant au matériau du serpentin de l'échangeur ainsi qu'à la substance chaude qui le traverse. À titre d'exemple, un échangeur typique en cuivre utilisant de l'eau comme fluide chaud présente un coefficient d'environ 15 W/m²·K.
2. Calculer la différence de température
Déterminez la température d'entrée du liquide dans l'échangeur de chaleur, puis la température souhaitée à la sortie. Cette dernière peut descendre jusqu'à la température ambiante de l'air. Soustrayez ensuite la température de sortie de la température d'entrée pour obtenir la différence de température (ΔT), valeur clé de tous les calculs suivants.
3. Évaluer le débit de chaleur nécessaire
Calculez le débit de transfert de chaleur requis en divisant la quantité totale de chaleur à dissiper (exprimée en BTU) par la durée pendant laquelle cette dissipation doit s'effectuer (en heures). Ce résultat vous indique la puissance que l'échangeur devra évacuer en continu.
4. Déterminer la surface du serpentin
Divisez le débit de chaleur obtenu à l'étape précédente par le produit du coefficient de transfert thermique et de la différence de température. Le résultat correspond à la surface d'échange minimale dont le serpentin doit disposer pour assurer le refroidissement souhaité.
5. Calculer la longueur des serpentins
Pour obtenir la longueur nécessaire des serpentins, divisez la surface calculée par le périmètre du serpentin. Dans le cas de serpentins tubulaires, vous pouvez mesurer le périmètre manuellement ou le calculer en multipliant le diamètre par pi (3,141). Pour des serpentins aplatis, mesurez le périmètre à la main ou estimez-le approximativement en multipliant l'épaisseur par la largeur.
Conseils pratiques
Vérifiez toujours la cohérence des unités avant d'effectuer vos calculs : mélanger des watts et des BTU fausserait complètement le résultat. Prévoyez également une marge de sécurité d'environ 10 à 20 % sur la surface d'échange calculée, car l'encrassement progressif des serpentins et les variations de température ambiante réduisent l'efficacité réelle de l'échangeur au fil du temps. Enfin, assurez-vous que la circulation d'air autour de l'échangeur n'est pas obstruée, car un flux d'air insuffisant compromet la dissipation thermique même si le dimensionnement est correct.
Source : https://jardin.98905.com/building-remodeling/energy-efficient-homes/1007119441.html