L’échange de chaleur : le coefficient global, la DTLM et le choix de l’échangeur

Page publiée le 26 août 2026

L’échange de chaleur transporte de l’énergie thermique d’un fluide chaud vers un fluide froid à travers une paroi qui les sépare, sans jamais les mettre en contact. C’est l’opération de service par excellence : elle ne transforme rien, ne sépare rien, ne stabilise rien par elle-même, et pourtant aucune autre opération thermique ne se fait sans elle. Pasteuriser, stériliser, évaporer, sécher, cuire, cristalliser, réfrigérer, congeler : la première question d’ingénierie est toujours celle du flux à faire passer et de la surface qu’il y faut.

Une laiterie, une sucrerie, une brasserie consacrent 60 à 80 % de leur énergie primaire à chauffer et refroidir des produits, et la quasi-totalité de cette énergie transite par des surfaces d’échange. Chauffer 20 000 L/h de lait de 4 à 72 °C sans rien récupérer demande environ 1 500 kW, soit 2,3 t de vapeur par heure ; la même station avec une section de récupération bien dimensionnée n’en demande que 120. Toute la différence tient dans quelques dizaines de mètres carrés de tôle inoxydable ondulée.

Le sujet tient dans une équation d’une simplicité désarmante : le flux échangé est le produit d’un coefficient, d’une surface et d’un écart de température. Trois leviers, pas un de plus. Ce qui en fait un cours et non une formule, c’est que le coefficient n’est pas une donnée mais un résultat, qui dépend des vitesses, des viscosités, de l’état de la paroi et de la propreté de l’appareil. Un échangeur neuf et le même après huit heures de campagne sur du lait ont parfois un rapport de deux.

À quoi sert l’opération

La première fonction est de porter un produit à une consigne : réchauffage des jus de betterave de 20 à 85 °C avant chaulage, cuisson d’un empois d’amidon à 105-110 °C dans un cuiseur à jet avant liquéfaction enzymatique, montée d’un moût de brasserie à l’ébullition, chauffage d’un hydrolysat de biomasse à 130 °C avant réaction. Le produit ne change pas de nature dans l’échangeur : il change d’état thermique pour être livré à l’opération suivante dans les conditions qu’elle exige.

La deuxième est symétrique : refroidir. Un moût de brasserie sort de la cuve d’ébullition à 98 °C et doit rejoindre la fermentation entre 8 et 20 °C, en une seule passe et en moins de quarante minutes pour une brassée de 200 hL, parce qu’un moût tiède est une culture microbienne à ciel ouvert. Une carcasse de porc, elle, doit passer de 39 à 7 °C à cœur en moins de vingt-quatre heures, cette fois par convection dans l’air d’un tunnel.

La troisième est le maintien : compenser les pertes ou les apports d’un procédé qui doit rester à température. Un fermenteur d’érythritol tenu à 33-34 °C dégage 3 à 8 kW de chaleur métabolique pour 10 m³ de moût en phase active ; sans boucle de refroidissement, la température dérive de plusieurs degrés par heure et la levure décroche. Un cristallisoir, lui, doit suivre une rampe imposée.

La quatrième, la plus rentable, est la récupération. Un produit chaud qu’il faut refroidir et un produit froid qu’il faut chauffer n’ont aucune raison de s’adresser chacun à une utilité séparée : les mettre face à face supprime d’un coup une consommation de vapeur et une consommation d’eau glacée. C’est ce que font la section de régénération d’un pasteurisateur, qui récupère 90 à 95 % du flux, le refroidisseur de moût d’une brasserie, qui produit au passage l’eau chaude à 78-82 °C de l’empâtage suivant, et les soutirages de vapeur d’un évaporateur multiple effet.

La cinquième, enfin, est le changement d’état : produire de la vapeur, condenser des buées, vaporiser puis condenser un frigorigène — la chaleur latente y remplace la chaleur sensible.

Toutes les filières sont concernées, chacune à sa manière : la laitière a poussé le plus loin la récupération, ses débits étant réguliers et ses produits fluides ; la sucrière raisonne en réseau, ses réchauffeurs étant alimentés par les vapeurs soutirées de l’évaporation et jamais par la vapeur vive ; les fruits et légumes imposent le tubulaire ou le raclé plutôt que les plaques serrées ; la viande travaille contre l’air, coefficient faible et surfaces énormes ; la céréalière chauffe des empois dont la viscosité varie d’un facteur cent au cours du chauffage lui-même.

Le phénomène physique

Les trois modes de transfert

La chaleur ne se déplace que de trois manières. La conduction transporte l’agitation thermique de proche en proche dans un milieu immobile — un métal, un dépôt, la couche de produit figée contre un tube. Elle obéit à la loi de Fourier : le flux surfacique est proportionnel au gradient de température et dirigé vers les températures décroissantes. Le coefficient de proportionnalité est la conductivité thermique du matériau : environ 15 W·m⁻¹·K⁻¹ pour l’acier inoxydable 316L, 50 pour l’acier au carbone, 21 pour le titane, 390 pour le cuivre, 0,6 pour l’eau, 1 à 2 pour un dépôt de tartre, 0,5 à 1 pour un dépôt protéique de lait, 0,026 pour l’air.

La convection transporte la chaleur par le mouvement du fluide : naturelle quand ce mouvement naît des différences de masse volumique, forcée quand une pompe ou un ventilateur l’impose. En génie alimentaire, la convection forcée est la règle et fixe la performance de presque tous les échangeurs. La loi de Newton écrit le flux comme le produit d’un coefficient de film par l’écart entre la paroi et le sein du fluide. Ce coefficient n’est pas une propriété du fluide : c’est une propriété de l’écoulement.

Le rayonnement transporte la chaleur par ondes électromagnétiques, sans support matériel, et obéit à la loi de Stefan-Boltzmann, où le flux varie comme la puissance quatrième de la température absolue. Cette puissance quatrième explique tout : entre 20 et 80 °C, le rayonnement se néglige devant la convection ; au-delà de 250-300 °C il devient dominant. Il gouverne donc les fours, les torréfacteurs et les tunnels infrarouges, et pratiquement aucun échangeur liquide-liquide.

Là où se joue vraiment la résistance

Contre une paroi solide, un fluide ne glisse pas : sa vitesse s’annule au contact. Il se forme une couche limite, mince région où la vitesse passe de zéro à celle de l’écoulement principal et où la chaleur doit traverser un fluide presque immobile. C’est dans cette pellicule de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres que se concentre l’essentiel de la résistance thermique. L’épaissir ruine l’échange ; la déchirer par de la turbulence le multiplie.

Les coefficients de film disent toute la hiérarchie des situations, en W·m⁻²·K⁻¹ : eau turbulente 3 000 à 8 000, lait ou jus clair 2 500 à 6 000, sirop à 70 °Brix 300 à 900, huile à 40 °C 200 à 800, purée épaisse en laminaire 150 à 400, air forcé sur ailettes 20 à 80 ; à l’opposé, vapeur qui se condense 6 000 à 15 000 et ébullition nucléée 3 000 à 10 000. Retenir cette échelle dispense de bien des calculs : dans un échangeur vapeur-sirop, la résistance est presque entièrement du côté sirop, et améliorer la condensation ne sert à rien.

La paroi métallique, elle, ne pèse presque rien : une plaque d’inox de 0,5 mm oppose 3,3·10⁻⁵ m²·K·W⁻¹, moins de 10 % de la résistance d’un échangeur eau-eau. Le matériau se choisit donc sur la corrosion, l’hygiène et le prix, jamais sur la conductivité. Le titane, deux fois moins conducteur que l’inox, est un excellent matériau d’échangeur ; le cuivre, vingt-six fois plus conducteur, est écarté du contact de la plupart des denrées parce qu’il catalyse l’oxydation des lipides.

Régime laminaire, régime turbulent

Le nombre de Reynolds compare les forces d’inertie aux forces visqueuses et décide du régime : dans un tube lisse, l’écoulement est laminaire sous 2 100, transitoire jusqu’à 4 000, franchement turbulent au-delà de 10 000. En laminaire, la chaleur ne traverse le fluide que par conduction transversale et le coefficient cesse même de dépendre du débit dans un tube long. En turbulent, les tourbillons amènent la chaleur jusqu’à la couche limite et le coefficient croît comme la vitesse à la puissance 0,8.

Toute la conception moderne consiste à obtenir cette turbulence à moindre frais : les chevrons emboutis d’une plaque, dans des canaux de 2,5 à 5 mm, la produisent dès un Reynolds de 150 à 400, vingt fois moins que dans un tube lisse. C’est la raison profonde pour laquelle un échangeur à plaques transfère trois à cinq fois mieux qu’un tubulaire à surface égale.

Le cas des fluides non newtoniens

Un fluide newtonien a une viscosité qui ne dépend que de la température ; la plupart des liquides alimentaires n’entrent pas dans cette catégorie. Purées, concentrés de tomate, crèmes, sauces, préparations de fruits, solutions de gommes et d’amidon sont rhéofluidifiants : leur viscosité apparente décroît quand le cisaillement augmente. Une loi de puissance à deux paramètres — un indice de consistance et un indice d’écoulement compris entre 0,2 et 0,8 — décrit leur comportement, et certains ajoutent un seuil d’écoulement en dessous duquel ils ne coulent pas du tout, comme un concentré de tomate à 30 %.

Trois conséquences pratiques. Le Reynolds ordinaire n’a plus de sens : il se calcule avec la viscosité apparente au cisaillement réel de l’appareil, ce que fait le Reynolds généralisé de Metzner et Reed. L’écoulement reste laminaire dans presque tous les cas : un concentré de tomate dans un tube de 40 mm à 1 m/s a un Reynolds généralisé de quelques dizaines. Et en laminaire un profil de vitesse s’installe : le fluide central va deux fois plus vite que la moyenne, celui de la paroi stagne et surchauffe. C’est le mécanisme direct du brûlage des produits visqueux, et ce qui justifie les échangeurs à surface raclée, dont la seule fonction est de détruire mécaniquement la couche limite que la physique reconstitue.

Ébullition et condensation

Quand un fluide change d’état, il échange sa chaleur latente à température constante et les coefficients deviennent très élevés. L’ébullition suit la courbe classique de Nukiyama. Pour quelques kelvins d’écart paroi-liquide, la convection naturelle domine et le coefficient reste modeste. Entre 5 et 25 K environ, l’ébullition nucléée s’installe : des bulles naissent sur les aspérités, se détachent et brassent violemment la couche limite ; c’est le régime recherché, à 3 000-10 000 W·m⁻²·K⁻¹. Au-delà d’un écart critique, les bulles coalescent en un film de vapeur isolant : le flux s’effondre alors même que l’écart augmente et la paroi peut monter de plusieurs centaines de degrés. C’est pourquoi un évaporateur ne se conduit jamais avec un écart quelconque, et pourquoi une résistance électrique noyée dans un sirop peut le carboniser localement alors que la masse est à 70 °C.

Du côté de la condensation, la vapeur qui touche une paroi froide libère sa chaleur latente — 2 257 kJ/kg à 100 °C, encore 2 108 à 3 bar absolus — et forme un film qui ruisselle par gravité. Ce film est la résistance : plus il est épais, plus l’échange se dégrade. D’où l’obligation d’évacuer vite le condensat, avec des purgeurs correctement dimensionnés et des calandres qui ne noient pas leur faisceau bas.

Deux ennemis la dégradent. L’accumulation de gaz incondensables d’abord : quelques pour cent d’air suffisent à diviser le coefficient par deux ou trois, l’air s’accumulant à l’interface où la vapeur doit alors diffuser. Un condenseur dont l’évent est bouché perd sa puissance en quelques heures sans autre symptôme. Le coup de bélier ensuite : du condensat accumulé dans une conduite, poussé à grande vitesse par la vapeur, frappe un coude ou une vanne fermée.

Les grandeurs et les équations

La loi de Fourier

Tout part de la conduction. Dans un milieu immobile, le flux thermique surfacique est proportionnel au gradient de température :

Le signe moins exprime que la chaleur descend le gradient. Pour une paroi plane d’épaisseur e, la résistance thermique vaut e/λ, en m²·K·W⁻¹. C’est cette écriture en résistance qui rend le sujet calculable : les résistances thermiques en série s’additionnent comme des résistances électriques.

L’équation fondamentale de l’échangeur

Un échangeur entier se résume à une seule relation, qui est à ce cours ce que la loi d’Ohm est à l’électricité :

La première écriture regarde l’appareil, la seconde le fluide, et toute étude d’échangeur consiste à égaler les deux : le flux que réclame le produit et le flux que la surface sait faire passer. Quand ils ne coïncident pas, il faut changer la surface, le débit d’utilité ou sa température — il n’existe pas d’autre levier.

Le coefficient global comme somme de résistances

Le coefficient global U n’est pas mesuré, il est construit. En rapportant toutes les résistances à la même surface, on écrit :

Cinq termes, cinq obstacles franchis l’un après l’autre. La conséquence est brutale et libératrice : le terme le plus grand commande tout. Sur un échangeur vapeur-sirop, avec h_vapeur = 10 000 et h_sirop = 500 W·m⁻²·K⁻¹, les deux films valent 0,000 1 et 0,002 m²·K·W⁻¹ : le sirop pèse 95 % de la résistance. Doubler sa vitesse apporte 70 % de puissance ; augmenter la pression de vapeur n’apporte que de l’écart de température, pas du coefficient.

Les résistances d’encrassement se choisissent au dimensionnement : 0,000 1 à 0,000 2 m²·K·W⁻¹ pour une eau de ville propre, 0,000 3 à 0,000 6 pour une eau de tour, 0,000 2 à 0,000 6 pour du lait, 0,000 5 à 0,001 5 pour un jus sucré chaud, jusqu’à 0,002 pour un jus de fruit pulpeux. Ces quelques dix-millièmes sont tout sauf anodins : sur un échangeur eau-eau dont le U propre vaut 5 000 W·m⁻²·K⁻¹, ajouter 0,000 4 de part et d’autre le fait tomber à 2 800. L’appareil a perdu 44 % de sa puissance sans qu’aucune pièce n’ait bougé.

L’écart moyen logarithmique

Le long d’un échangeur, les deux fluides changent de température : l’écart entre eux n’est pas constant. La moyenne pertinente n’est pas la moyenne arithmétique mais la moyenne logarithmique, seule compatible avec l’intégration du bilan local :

ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Quand ils sont proches, la moyenne logarithmique rejoint la moyenne arithmétique ; quand ils diffèrent d’un facteur trois, l’écart dépasse 10 %. La moyenne logarithmique étant toujours la plus petite, se tromper de moyenne, c’est sous-dimensionner.

Les trois circulations, et pourquoi le contre-courant gagne

En co-courant, les deux fluides entrent du même côté : l’écart est maximal à l’entrée, s’effondre à la sortie, et les températures de sortie ne peuvent que se rapprocher sans jamais se croiser. En contre-courant, ils circulent en sens opposés : l’écart reste à peu près constant sur toute la longueur et — c’est le point décisif — le fluide froid peut ressortir plus chaud que le fluide chaud. En courants croisés, ils se coupent à angle droit ; c’est la configuration obligée des échangeurs à air.

Un exemple chiffré tranche le débat. Un produit passe de 80 à 50 °C, une eau de 20 à 45 °C. En contre-courant, les écarts aux extrémités valent 35 et 30 K, moyenne logarithmique 32,4 K ; en co-courant, 60 et 5 K, moyenne logarithmique 22,1 K. À flux et coefficient identiques, le co-courant réclame 47 % de surface en plus pour le même service. Et si l’eau devait sortir à 55 °C quand le produit sort à 50, le co-courant deviendrait impossible, quelle que soit la surface. Le contre-courant est donc la règle, le co-courant l’exception, réservée aux cas où l’on veut brider la température de paroi à l’entrée pour ne pas brûler un produit fragile.

Les courants croisés et les configurations à passes multiples se situent entre les deux. On les traite en gardant la moyenne logarithmique du contre-courant pur et en la corrigeant par un facteur F, inférieur ou égal à 1, lu sur abaque en fonction de l’efficacité de température du fluide froid et du rapport des chutes de température. Deux règles suffisent : au-dessus de 0,85 la configuration est saine ; sous 0,75, l’abaque devient très pentue, une petite erreur sur une température de service fait basculer le calcul, et il faut changer de configuration — deux calandres au lieu d’une, plus de passes, ou un vrai contre-courant. Un échangeur à plaques en une seule passe par côté est un contre-courant quasi parfait, F voisin de 0,95-0,98.

Les corrélations de convection forcée

Les coefficients de film ne se devinent pas : ils se calculent par des corrélations adimensionnelles, qui relient le nombre de Nusselt — le rapport entre le transfert réel et le transfert par pure conduction — au nombre de Reynolds et au nombre de Prandtl :

Dittus-Boelter vaut pour un tube lisse en régime turbulent établi, au-delà d’un Reynolds de 10 000. Elle enseigne deux choses avant tout calcul. Le coefficient croît comme v^0,8 : doubler la vitesse le relève de 74 %, mais multiplie la perte de charge par 3,5. Et le nombre de Prandtl, qui compare la diffusion de quantité de mouvement à celle de la chaleur, vaut environ 7 pour l’eau à 20 °C, 1,8 à 90 °C, 0,7 pour l’air et 50 à 500 pour un sirop épais : c’est lui qui traduit le désavantage structurel des fluides visqueux.

Quand la viscosité varie fortement entre le sein du fluide et la paroi — dès qu’on chauffe un sirop, une huile ou une purée —, Dittus-Boelter devient inexacte : contre une paroi chauffée le fluide est moins visqueux, la couche limite s’amincit et l’échange dépasse la prévision ; en refroidissement c’est l’inverse, et le calcul devient optimiste, ce qui est plus grave. La correction de Sieder et Tate rétablit la vérité en introduisant le rapport de la viscosité au sein du fluide sur celle à la paroi, à la puissance 0,14 : elle corrige de 10 à 25 % dans les cas usuels et jusqu’à 40 % sur un sirop visqueux refroidi. L’exposant faible ne doit pas tromper — sur un produit dont la viscosité varie d’un facteur dix entre 20 et 80 °C, il fait à lui seul l’écart entre un échangeur qui tient sa consigne et un échangeur qui la manque de 5 °C. Pour les plaques, les constructeurs utilisent leurs propres relations de la forme Nu = C·Re^m·Pr^1/3·(μ/μ_p)^0,14, avec m de 0,6 à 0,75 et un coefficient C qui dépend de l’angle des chevrons : 30° pour une plaque « dure », très transférante et très résistante hydrauliquement, 60° pour une plaque « molle », l’inverse. Panacher les deux dans un même appareil est le réglage fin du dimensionnement.

La méthode NUT-efficacité

La moyenne logarithmique suppose connues les quatre températures d’entrée et de sortie. Or deux d’entre elles manquent dans deux situations très courantes : quand on cherche ce que donnera un échangeur existant sur un nouveau produit, et quand on conçoit un récupérateur dont la température de sortie est précisément l’inconnue. Il faut alors itérer. La méthode du nombre d’unités de transfert évite cette itération :

L’efficacité rapporte le flux réellement échangé au flux maximal que donnerait une surface infinie ; le nombre d’unités de transfert est la surface installée rapportée à ce que le débit peut absorber, autrement dit une surface adimensionnelle. La relation du contre-courant équilibré donne aussitôt les ordres de grandeur qui structurent le métier : un simple refroidisseur travaille entre 0,5 et 1,5 unité, soit 33 à 60 % d’efficacité ; une régénération de pasteurisateur à 90 % en demande 9, et 19 pour atteindre 95 %. Gagner les cinq derniers points de récupération coûte donc autant de surface que les quatre-vingt-dix premiers — ce qui explique pourquoi les taux de régénération industriels plafonnent entre 90 et 95 %.

Les symboles

Les matériels

L’échangeur à plaques et joints est le standard agroalimentaire pour six raisons cumulées. Il est compact — 200 à 1 000 m² par mètre cube contre 50 à 100 pour un tubulaire. Il transfère très bien, 3 000 à 6 000 W·m⁻²·K⁻¹ en eau-eau, grâce aux chevrons qui turbulent dès un Reynolds de quelques centaines. Il travaille en contre-courant quasi pur, ce qui autorise des pincements de 2 à 5 K. Il ne contient que quelques litres de produit pour 50 m². Il se démonte plaque par plaque en une heure, ce qui permet l’inspection visuelle exigée par les auditeurs. Enfin il se reconfigure : dix plaques de plus, et la surface augmente sans changer de bâti.

Ses limites : des joints — EPDM jusqu’à 140-150 °C, NBR jusqu’à 110-130 °C — à remplacer tous les deux à cinq ans, une pression de service dépassant rarement 16 à 25 bar, un passage libre de 2,5 à 5 mm qui interdit les produits chargés au-delà de 1 mm, et une perte de charge de 0,3 à 2 bar qui déplace une part de la facture vers les pompes.

L’échangeur à plaques brasées supprime les joints : les plaques sont brasées au cuivre ou au nickel sous vide. Il monte à 30 bar et 200 °C, coûte trois à cinq fois moins cher à surface égale et ne se démonte pas. Excellent en utilité — eau glacée, glycol, groupes froids —, il est à proscrire au contact direct d’un aliment, faute de pouvoir être ouvert et inspecté. Les plaques soudées ou semi-soudées comblent l’écart : un côté soudé pour un frigorigène, un côté à joints pour le produit.

L’échangeur tubulaire reste indispensable dès que le produit est chargé, fibreux ou visqueux. En multitube, un faisceau de tubes de 8 à 25 mm véhicule le produit dans une calandre parcourue par l’utilité ; en double tube, un seul tube produit est enfermé dans un tube utilité, ce qui donne un contre-courant absolument pur et accepte des particules jusqu’au tiers du diamètre. Le coefficient tombe à 500-1 500 W·m⁻²·K⁻¹ et la surface est trois à cinq fois plus grande, mais l’appareil tolère 25 à 40 bar, ne comporte aucun joint au contact du produit et se laisse racler en cas de bouchage. C’est le matériel des purées, des sauces, des produits à morceaux et des lignes UHT à longue campagne.

L’échangeur à tubes ondulés est un tubulaire à paroi corruguée en hélice ou en anneaux. L’ondulation déstabilise en permanence la couche limite, fait gagner 30 à 60 % de coefficient à perte de charge comparable et abaisse le seuil de turbulence vers des Reynolds de 500 à 1 500 : plus performant que le tube lisse, moins fragile que la plaque.

L’échangeur à surface raclée est le seul recours pour les produits très visqueux, cristallisants ou collants. Un rotor porte des pales qui raclent la paroi d’un cylindre à double enveloppe, 100 à 700 tours par minute, détruisant la couche limite à chaque passage. Chaque corps n’offre que 0,4 à 2,5 m², pour un coefficient de 300 à 1 500 W·m⁻²·K⁻¹ — chiffres médiocres, mais obtenus sur des produits que tout autre appareil brûlerait. Sa consommation mécanique, 3 à 15 kW par corps, revient en partie au produit en chaleur de friction. C’est l’appareil de la margarine, des crèmes glacées, des pâtes de fruits et des cristallisations refroidies.

L’échangeur à air, aérocondenseur ou aéroréfrigérant sec, échange contre un air pulsé sur des tubes ailetés. Le coefficient côté air, 20 à 80 W·m⁻²·K⁻¹, est si faible qu’il commande tout : d’où des ailettes qui multiplient la surface externe par 10 à 25. Il ne consomme pas d’eau, ce qui devient décisif, mais ne peut approcher la température ambiante à moins de 8 à 15 K.

Le condenseur ferme la liste avec le générateur de vapeur. Le premier condense buées ou frigorigène à 6 000-12 000 W·m⁻²·K⁻¹ côté vapeur, avec obligation d’évent pour les incondensables. Le second est soit une chaudière à tubes de fumées, soit un générateur de vapeur propre : un échangeur qui fabrique, à partir de la vapeur du réseau et d’eau traitée, une vapeur de qualité culinaire destinée à l’injection directe.

Les paramètres de conduite

Un échangeur ne se règle pas comme un four, avec une seule consigne : six paramètres se tiennent, et chacun se paie sur un autre.

Deux points méritent d’être détaillés. La contre-pression côté produit d’abord : un produit chauffé à 95 °C sous une pression insuffisante bout localement contre la paroi, ce qui crée des bulles isolantes, des dépôts brûlés et un bruit caractéristique. La règle est de tenir la pression produit 0,5 à 1 bar au-dessus de la pression de vapeur saturante à la température maximale atteinte — d’où la vanne de contre-pression en sortie de toute installation UHT. La régulation ensuite : on ne module presque jamais le débit produit, imposé par la ligne, mais la température ou le débit d’utilité, par vanne modulante sur la vapeur, vanne trois voies sur une boucle d’eau chaude ou variation de vitesse. La boucle d’eau chaude fermée, chauffée par injection de vapeur, est la solution la plus douce pour les produits sensibles : elle borne mécaniquement la température de paroi à celle de l’eau, quoi qu’il arrive à la vanne de vapeur.

Ce qui se dérègle

L’encrassement, mal chronique de l’opération

L’encrassement est le seul phénomène capable de rendre faux, en quelques heures, un dimensionnement pourtant exact. Sur les produits laitiers, deux dépôts se succèdent : entre 70 et 110 °C un dépôt de type A, blanc et spongieux, riche en protéines dénaturées — la bêta-lactoglobuline en tête ; au-delà de 110-115 °C un dépôt de type B, dur et gris, fait de phosphate et de citrate de calcium dont la solubilité décroît quand la température monte. Sur les jus sucrés, le mécanisme est autre : caramélisation et réactions de Maillard contre la paroi chaude. Côté utilité, l’eau dure dépose du carbonate de calcium et une eau de tour tiède fabrique du biofilm.

La cinétique suit presque toujours la même allure : une période d’induction où rien ne se voit, puis une croissance à peu près linéaire de la résistance d’encrassement, parfois suivie d’un palier lorsque l’érosion hydraulique équilibre le dépôt. C’est elle qui fixe la durée de campagne : 6 à 10 heures pour un pasteurisateur de lait, 8 à 20 heures pour une ligne UHT tubulaire, plusieurs jours pour un réchauffeur de jus clair. On l’anticipe par une marge de surface de 10 à 25 % — au-delà, la marge devient contre-productive : une surface excédentaire fait chuter la vitesse et l’écart moteur, et encrasse plus vite qu’elle ne compense.

Le nettoyage en place enchaîne un rinçage, une phase alcaline à la soude de 1 à 2 % entre 75 et 85 °C pendant 20 à 30 minutes qui dissout protéines et graisses, un rinçage, une phase acide à l’acide nitrique de 0,5 à 1 % entre 65 et 75 °C pendant 15 à 20 minutes qui attaque les minéraux, un rinçage final et si besoin une désinfection. La vitesse compte autant que la chimie : sous 1,5 m/s dans les tubes, l’action mécanique manque. Un U qui ne revient pas à 95 % de sa valeur initiale après nettoyage signale un encrassement résiduel qui s’accumulera de campagne en campagne.

Énergie, coût et environnement

Un échangeur ne consomme rien par lui-même : il consomme ce que le pincement l’oblige à demander aux utilités. Le coût se répartit entre l’investissement — 150 à 600 €/m² pour des plaques inox, deux à quatre fois plus pour un tubulaire aseptique, dix à trente fois plus pour un raclé —, la vapeur, comptée 25 à 45 €/t, le froid mécanique, à 0,3-0,5 kWh électrique par kWh de froid produit à 0 °C, et le pompage, qui croît comme le cube du débit.

La récupération est de loin le premier gisement. Soit une station de pasteurisation de 10 000 L/h chauffant du lait de 4 à 72 °C : le débit thermique du produit vaut 10,8 kW·K⁻¹ et le flux total à fournir 735 kW. Avec une régénération dimensionnée pour un pincement de 5 K, le lait cru en ressort à 67 °C : 682 kW sont récupérés, il n’en reste que 53 à apporter en vapeur, soit 93 % de régénération. Pour U = 4 000 W·m⁻²·K⁻¹ et un écart constant de 5 K, cela demande 34 m² de plaques.

Resserrer le pincement à 2 K porterait la sortie de régénération à 70 °C et la récupération à 715 kW, soit 97 %. Le gain est de 33 kW de vapeur ; le prix, 89 m² de surface au lieu de 34. Sur 8 000 heures annuelles, 33 kW valent 950 GJ, soit 430 t de vapeur et 15 000 € par an, pour un surinvestissement de 20 000 à 30 000 € : l’opération se paie en deux ans. Sur une ligne saisonnière de 1 500 heures, elle ne se paie jamais. Mené sur tous les courants chauds et froids d’une usine, ce raisonnement devient la méthode du pincement : on empile les courants chauds en une courbe composite, les froids en une autre, on les rapproche jusqu’à l’écart minimal choisi, et le point de contact sépare l’usine en deux zones. Trois règles en découlent : ne jamais transférer de chaleur à travers le pincement, ne jamais utiliser d’utilité froide au-dessus, ni d’utilité chaude en dessous. Chaque kilowatt qui viole l’une d’elles se paie deux fois, en vapeur et en froid.

Restent des gisements plus modestes mais réels : calorifuger les tuyauteries chaudes — un mètre de conduite DN 80 nue à 150 °C perd 300 à 500 W —, récupérer les condensats, qui repartent à 90-95 °C et valent 10 à 15 % de l’énergie de la chaudière, et préchauffer l’eau de nettoyage sur les buées d’évaporation ou les condenseurs frigorifiques.

L’opération dans la fabrication des sucrants

Aucune fabrication de sucrant ne s’en dispense, et dans plusieurs il ne se contente pas de servir : il décide de la qualité du produit.

Dans une sucrerie de betterave ou de canne, le réseau d’échangeurs est l’ossature de l’usine. Les réchauffeurs portent le jus de diffusion de 20 à 85 °C avant chaulage, puis le jus épuré de 85 à 105 °C avant évaporation, presque jamais avec de la vapeur vive : ils sont branchés sur les vapeurs soutirées des effets, si bien que la même énergie chauffe plusieurs postes de suite. Tubulaires, ils travaillent à 1 000-2 000 W·m⁻²·K⁻¹ et s’entartrent au carbonate et au sulfate de calcium, d’où des nettoyages acides en pleine campagne.

Dans les évaporateurs de sirop, l’échangeur n’est plus un auxiliaire : il est l’appareil. Chaque effet est un faisceau tubulaire dont la calandre reçoit la vapeur produite par l’effet précédent, et toute l’économie du multiple effet tient dans cette réutilisation de la même chaleur latente. Le coefficient global chute d’effet en effet, de 2 000-2 500 W·m⁻²·K⁻¹ dans le premier à 500-900 dans le dernier, parce que le sirop y est plus concentré, plus visqueux et plus froid, et parce que l’élévation ébullioscopique mange une part de l’écart moteur : c’est pourquoi les derniers effets sont toujours les plus grands. Le sujet est traité sur la page évaporation.

Dans la fabrication du xylitol, l’échange de chaleur intervient trois fois de façon déterminante. Il porte l’hydrolysat de biomasse — rafles de maïs, bois de bouleau — aux 120 à 140 °C de l’hydrogénation catalytique, puis évacue la chaleur de cette réaction franchement exothermique, faute de quoi la sélectivité se dégrade et les sous-produits se multiplient. Il refroidit ensuite l’effluent avant purification, en récupérant de quoi préchauffer l’alimentation. Il gouverne enfin la cristallisation : le xylitol cristallise par refroidissement contrôlé d’une solution concentrée, de 65-70 °C vers 20-25 °C, selon une rampe de 2 à 8 °C par heure imposée par la double enveloppe ou un échangeur externe. Cette rampe est le seul réglage qui décide de la granulométrie : trop rapide, elle sursature brutalement, provoque une nucléation massive et donne des cristaux fins difficiles à essorer et à sécher ; trop lente, elle immobilise le cristallisoir sans gain. Le flux extrait est ici un paramètre de qualité produit, pas un paramètre de service. La chaîne complète figure sur la page fabrication du xylitol.

Pour l’érythritol, produit par fermentation de levures osmophiles, l’échangeur travaille d’abord sur le fermenteur, qui dégage plusieurs kilowatts par dizaine de mètres cubes et doit tenir 32-35 °C au demi-degré près, par double enveloppe ou boucle externe à plaques ; puis, comme pour le xylitol, sur la cristallisation par refroidissement du concentré entre 55-60 °C et 20-25 °C, avec le même arbitrage entre vitesse de refroidissement et taille de cristal.

Les autres filières mobilisent l’opération plus classiquement. L’extraction des glycosides de la stévia se conduit en eau chaude à 50-70 °C, avec refroidissement obligatoire de l’extrait avant passage sur résines, celles-ci ne tolérant pas les températures élevées. Le sirop de yacon pose le problème inverse de la sucrerie : ses fructo-oligosaccharides s’hydrolysent à chaud en milieu acide, d’où un chauffage aussi court que possible — montée rapide à 80-85 °C sur plaques ou tubes ondulés, maintien minimal, refroidissement immédiat. Le sucre de fleur de coco représente le cas archaïque : la sève est concentrée dans un wok ouvert au feu de bois, où l’échange se fait par conduction à travers une fonte dont la température n’est pas maîtrisée — et c’est cette absence de maîtrise qui construit, par réaction de Maillard, la couleur et les notes caramélisées du produit. Les hydrolysats de sirop d’agave, enfin, sont chauffés à 100-120 °C en voie thermique ou maintenus à 50-60 °C en voie enzymatique : deux barèmes, donc deux échangeurs très différents pour un même produit.

Pour aller plus loin

• Évaporation — l’échangeur devenu appareil : multiple effet, soutirages et chute du coefficient global d’effet en effet.
• Pasteurisation — ce que devient l’échangeur quand l’objectif n’est plus une température mais un barème temps-température.
• Stérilisation — les mêmes lois portées à 130-145 °C, avec l’encrassement minéral qui va avec.
• Réfrigération — la production du froid qui alimente le côté utilité de la moitié des échangeurs.
• Cristallisation — pourquoi la rampe de refroidissement, donc le flux extrait, décide de la taille des cristaux.
• Hydrogénation catalytique — une réaction exothermique dont la conduite est un problème d’évacuation de chaleur.

Sources

• Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4^e éd., Woodhead Publishing, 2017.
• Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2^e éd., 2007.
• Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5^e éd., Academic Press, 2014.
• McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7^e éd., McGraw-Hill, 2005.
• Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2^e éd., Springer, 2016.
• Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
• Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
• Règlement (CE) n° 852/2004 sur l’hygiène des denrées alimentaires et règlement (UE) n° 1935/2004 sur les matériaux au contact des denrées.