Il y a trois principaux modes de transferts de chaleur:

• Conduction: le flux de chaleur traverse le corps A, l'interface A B, et le corps B. Le flux est proportionnel à la conductivité thermique du matériau.
• Convection: le flux de chaleur est transporté par la matière en déplacement. Ses mouvements sont dits de convection naturelle sous l'influence de variations de densité et du champ de pesanteur, ou de convection forcée si le fluide est mis en circulation par une pompe ou une différence de pression.
• Rayonnement: le flux de chaleur est transporté sans transport de matière, sous forme d'ondes électromagnétique (ex: rayonnement solaire).

(Pour les lois du transfert thermique, se référer à un cours plus complet)

Principe d'un échangeur de chaleur: on cherche en général à transférer un flux de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid, séparés par une paroi qui peut être plane ou tubulaire. La chaleur est transférée par conduction et/ou convection au sein de chaque fluide, et par conduction au sein du matériau qui les sépare. Il peut également y avoir transfert par rayonnement si le niveau des températures dépasse 100°C.

Dans l'échangeur, chacun des fluides s'échauffe, se refroidit, ou change d'état selon ses caractéristiques et les conditions opératoires.

Le flux de chaleur résultant, cédé par le fluide chaud et reçu par le fluide froid est proportionnel à:

• un coefficient d'échange thermique "global" noté K (ou U), fonction des conditions d'écoulement, des conductivités thermiques de chaque fluide, des viscosités, du changement d'état, etc...
• un écart de température (en général une moyenne logarithmique des écarts de température entre les deux fluides à chaque extrémité de l'échangeur, cf page suiv.),
• la surface d'échange thermique utilisée.

Φ = K S Δθ_ml, avec K coefficient global en kJ.h^-1.m^-2.°C^-1 et Φ en kJ.h^-1.

Circulation à co-courant: les fluides 1 (froid) et 2 (chaud) entrent d'un même côté de l'appareil, circulent en parallèle, et sortent à l'autre extrémité.

L'écart de température à l'extrémité gauche (ici entrée) est Te2-Te1

L'écart de température à l'extrémité droite (ici sortie) est Ts2-Ts1

L'écart de température moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des écart de température à chaque extrémité, soit

Δθ_ml=[(Te2-Te1)-(Ts2-Ts1)] / ln [(Te2-Te1)/(Ts2-Ts1)]

Circulation à contre-courant: les fluides 1 et 2 entrent des côtés opposés de l'appareil et circulent en sens contraire.

L'écart de température à l'extrémité gauche (sortie chaude, entrée froide) est Ts2-Te1

L'écart de température à l'extrémité droite (entrée chaude, sortie froide) est Te2-Ts1

L'écart de température moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des écart de température à chaque extrémité, soit

Δθ_ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2-Ts1)/(Ts2-Te1)]

Circulation à deux passes (côté tube): un des fluides (ici le fluide 1) entre et sort à la même extrémité de l'appareil, en faisant demi-tour à l'autre extrémité. Une partie du trajet du fluide est donc à co-courant, l'autre étant à contre-courant.

Dans ce cas, la moyenne logarithmique doit être calculée comme lors du montage à contre-courant, et corrigée d'un facteur Y compris entre 0.6 et 1 fourni par des abaques (voir un cours d'échange thermique pour plus de détails), soit:

Φ = K S Y Δθ_ml, avec

Δθ_ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2-Ts1)/(Ts2-Te1)]

D'autres montages existent avec par exemple des circulations côté tube à 4, 6 voire 8 passes, et/ou plusieurs passes côté calandre. L'objectif est en général d'augmenter les vitesses de circulation (vitesse doublée à chaque doublement du nombre de passe) afin d'obtenir de bons coefficients d'échanges pour chaque fluide.