Un échangeur thermique transfère la chaleur entre deux fluides à travers une paroi solide qui maintient leurs circuits d’écoulement séparés. Le fluide le plus chaud cède de l’énergie thermique à une face de la paroi ; cette énergie traverse le matériau et passe dans le fluide plus froid de l’autre côté. Lorsque la barrière est intacte et les raccords correctement étanches, aucun des deux fluides n’a besoin de pénétrer dans le circuit de l’autre.

Dans un centre de données refroidi par liquide, cette configuration sépare le liquide de refroidissement qui circule dans les équipements de l’eau qui circule dans l’infrastructure de refroidissement du bâtiment. La chaleur passe d’un circuit à l’autre, tandis que la composition chimique de l’eau, la pression et la propreté de chacun sont contrôlées indépendamment.

La chaleur traverse trois résistances thermiques

Dans un échangeur à plaques ou à tubes, la chaleur se transmet selon une succession de processus. Tout d’abord, la convection transporte l’énergie du fluide le plus chaud vers la paroi. La conduction transfère ensuite l’énergie à travers le métal. Enfin, la convection transporte l’énergie depuis la face opposée de la paroi vers le courant plus froid.

Le fluide immédiatement au contact d’une surface solide se déplace plus lentement que celui qui s’en trouve éloigné. Cette couche limite crée une résistance au transfert de chaleur. Les ondulations des plaques et des vitesses d’écoulement appropriées favorisent le mélange dans chaque passage distinct, mettant davantage de fluide en contact avec la surface d’échange thermique. Le mélange au sein d’un circuit améliore le transfert thermique sans mélanger les deux circuits.

La paroi ajoute sa propre résistance. Une paroi plus mince conduit la chaleur plus facilement, mais son épaisseur doit également résister à la pression, à la corrosion et aux contraintes mécaniques. L’acier inoxydable est couramment utilisé dans les échangeurs à plaques, car il associe une bonne résistance à la corrosion à une solidité structurelle. Le choix du matériau doit néanmoins tenir compte de sa compatibilité avec les deux fluides, les produits de nettoyage et les températures de fonctionnement.

Un métal très conducteur ne garantit pas à lui seul de bonnes performances. Un écoulement médiocre, des dépôts ou une configuration inadaptée des canaux peuvent créer une résistance supérieure à celle de la paroi métallique elle-même.

Comment les passages restent séparés

Un échangeur à plaques comporte un empilement de fines plaques métalliques. Des orifices et des joints dirigent un fluide dans des canaux alternés, tandis que le second fluide circule dans les canaux intercalés. Chaque plaque commune sert à la fois de surface d’échange thermique et de barrière physique.

Dans les modèles à joints, ceux-ci assurent l’étanchéité des bords des plaques et dirigent l’écoulement autour des orifices appropriés. Les modèles brasés utilisent des assemblages permanents au lieu de joints de plaques remplaçables. Les constructions soudées constituent une autre façon de former des passages étanches. Ces configurations diffèrent par leur facilité d’entretien et leur compatibilité avec les fluides, mais reposent toutes sur l’intégrité des parois et des assemblages pour assurer la séparation.

Un échangeur à calandre et à tubes applique le même principe selon une géométrie différente. Un fluide circule à l’intérieur des tubes, tandis que l’autre s’écoule autour de leurs surfaces extérieures, dans une calandre. Les parois des tubes et les assemblages au niveau des plaques tubulaires séparent les deux fluides.

La séparation hydraulique n’exige pas une pression identique des deux côtés. Chaque circuit peut disposer de sa propre pompe et fonctionner à sa propre pression, à condition que l’échangeur reste dans les limites spécifiées, notamment en ce qui concerne la différence de pression admissible. La paroi supporte la charge de pression tout en conduisant la chaleur.

La différence de température détermine le sens du transfert

Localement, la chaleur passe du fluide le plus chaud vers le fluide le plus froid. Un échangeur liquide-liquide conventionnel ne comporte pas de compresseur et n’élève pas la chaleur à un niveau de température supérieur. Sa capacité à refroidir une boucle d’équipement dépend donc de la température du circuit qui reçoit la chaleur.

Si l’eau du bâtiment entrant dans un échangeur est trop chaude, augmenter la taille de l’échangeur ne peut pas rendre la sortie côté équipement plus froide que cette eau entrante en régime permanent. Une surface plus grande peut réduire l’écart de température nécessaire pour une charge thermique donnée, mais un échangeur de taille finie a besoin d’une différence de température pour transférer la chaleur.

Le sens de circulation influe sur le maintien de cette différence. En écoulement parallèle, les deux courants entrent par la même extrémité ; l’écart de température, important au départ, diminue le long des passages. En contre-courant, les courants circulent dans des directions opposées, ce qui permet souvent de maintenir une différence de température plus exploitable sur la surface disponible.

En contre-courant, la sortie du courant le plus froid peut être plus chaude que celle du courant le plus chaud, car ces sorties se trouvent à des extrémités opposées. Cela n’inverse pas le sens du transfert thermique : en chaque point de la paroi séparatrice, le fluide qui cède la chaleur reste plus chaud que celui qui la reçoit.

Ce que révèlent réellement la capacité et les mesures de température

Pour un liquide monophasique dont les propriétés sont approximativement constantes, le débit de transfert thermique peut être estimé à partir de l’un ou l’autre des circuits :

Débit de transfert thermique = débit massique × capacité thermique massique × variation de température du fluide.

En régime permanent, la chaleur perdue par le courant le plus chaud est approximativement égale à celle gagnée par le courant le plus froid, compte tenu des échanges thermiques avec l’environnement et des incertitudes de mesure. Des débits de transfert thermique égaux n’impliquent pas des variations de température égales. Des débits ou des propriétés de fluide différents entraînent des écarts différents entre l’entrée et la sortie.

Cela importe lorsqu’on compare l’eau à un mélange eau-glycol. La concentration de glycol modifie la capacité thermique massique, la viscosité et la conductivité thermique. À débit volumique égal, le mélange ne transporte pas nécessairement la même quantité de chaleur et n’entraîne pas nécessairement la même perte de charge que l’eau.

Les performances de l’échangeur s’expriment également couramment ainsi :

Débit de transfert thermique = coefficient global de transfert thermique × surface d’échange × différence de température effective.

Le coefficient global tient compte de la résistance des couches limites des deux fluides, de la paroi et des éventuels dépôts. La différence de température effective dépend des températures et de la configuration des écoulements. Par conséquent, une capacité de refroidissement indiquée n’est significative qu’avec les températures d’entrée, les débits et la composition du fluide spécifiés.

Une forte baisse de température du seul côté chaud ne suffit pas à démontrer une capacité de refroidissement élevée. Un faible débit peut entraîner une forte variation de température tout en transportant relativement peu de chaleur. Pour évaluer les performances, il faut considérer conjointement l’écart de température et le débit.

La séparation à l’intérieur d’une CDU

De nombreuses unités de distribution de refroidissement (CDU) utilisent un échangeur thermique liquide-liquide entre un circuit du bâtiment et un circuit des équipements. Le liquide de refroidissement qui revient des plaques froides transmet sa chaleur à l’échangeur, puis retourne vers les équipements à une température plus basse. L’eau du bâtiment absorbe cette chaleur et la transporte vers des équipements de rejet thermique ou vers un système de récupération de chaleur adapté.

Cette séparation permet au circuit des équipements de maintenir une qualité de liquide de refroidissement adaptée aux passages étroits des plaques froides et aux matériaux en contact avec le fluide. Elle empêche également les fluctuations normales de pression du côté du bâtiment d’imposer directement les mêmes conditions hydrauliques au circuit des équipements.

La tuyauterie environnante doit préserver cette séparation lors de l’installation.Tuyauteries préfabriquées pour le refroidissement liquide sont spécialement conçues et fabriquées pour les systèmes secondaires de refroidissement liquide. L’emplacement de leurs raccordements, leur propreté et l’identification des circuits doivent correspondre à la configuration de la CDU afin que l’installation n’introduise pas de débris ni de raccordements involontaires entre les circuits.

La récupération de la chaleur transférée exige un niveau de température compatible avec l’application réceptrice. Un échangeur transfère la chaleur disponible ; si une température de sortie plus élevée est nécessaire, un équipement supplémentaire, tel qu’une pompe à chaleur, est requis.

Lorsque le refroidissement diminue ou que la barrière cède

Une baisse des performances de refroidissement ne signifie pas automatiquement que les fluides se mélangent. Le tartre, les produits de corrosion ou les dépôts biologiques ajoutent une résistance thermique. Des passages obstrués réduisent le débit effectif, tandis que des poches de gaz emprisonné laissent une partie de la surface insuffisamment mouillée. Des symptômes similaires au niveau des températures de sortie peuvent donc avoir différentes causes physiques.

La perte de charge aide à distinguer ces situations lorsqu’on la compare à des débits et à des températures de fluide similaires. Une hausse de la perte de charge accompagnée d’une baisse du transfert thermique peut indiquer que les passages sont obstrués. Une diminution du transfert thermique sans variation comparable de la perte de charge peut faire penser à des dépôts sur les surfaces, bien qu’il faille également vérifier les capteurs de température et le débit réel.

Une contamination croisée nécessite une voie de fuite, par exemple une plaque fissurée, un tube endommagé ou un assemblage défectueux. Si une ouverture interne apparaît, la différence de pression entraîne généralement le fluide du circuit à haute pression vers celui du circuit à basse pression. Certaines défaillances de joints provoquent plutôt une fuite externe ; le résultat dépend de la configuration des joints et de l’emplacement de la défaillance.

Lorsque les conséquences d’une contamination croisée justifient une protection supplémentaire, un échangeur à double paroi doté d’un dispositif de détection des fuites adapté permet de révéler une défaillance de la barrière avant que les deux courants ne communiquent directement. Sa résistance thermique supplémentaire doit être prise en compte lors du dimensionnement. L’intégrité sous pression et les performances de transfert thermique sont deux exigences distinctes, qui doivent toutes deux correspondre aux conditions de fonctionnement prévues.