Les échangeurs à plaques et ailettes (également appelés échangeurs à plaques et barrettes ou plaques et ondes), plus communément désignés par l’acronyme PFHE (Plate-Fin Heat Exchanger), figurent parmi les technologies d’échange thermique compact les plus anciennes et les plus abouties, en particulier dans les domaines cryogénique et aéronautique. Leur industrialisation débute dès les années 1940-1950, principalement pour répondre aux besoins de séparation de l’air et de liquéfaction de gaz, dans un contexte où plusieurs exigences étaient simultanément déterminantes : forte compacité, capacité à atteindre de faibles pincements thermiques, pertes de charge maîtrisées, et possibilité de mettre en échange plusieurs fluides dans un même cœur.

 

Aujourd’hui, les PFHE demeurent une technologie de référence incontournable pour la cryogénie industrielle, les procédés gaziers avancés et certaines applications embarquées, notamment intercooler dans l'automobile ou refroidisseur d'huile ou de carburant dans l'aéronautique, au prix d’une complexité de conception et de fabrication élevée, ainsi que de contraintes d’exploitation strictes (fluides propres, maintenabilité limitée).

 

 

I. Description Technologique

 

L’échangeur à plaques et ailettes est un échangeur entièrement brasé, constitué par l’empilement alterné de :

 

II. Principe de construction générale

 

Le PFHE repose sur une logique de construction élémentaire souvent décrite par le module unitaire :

 

III. Conception des canaux et intensification des échanges

 

III.1 Ailettes

 

Les ailettes constituent le cœur de la performance thermo-hydraulique des PFHE. Elles sont réalisées à partir de feuillards métalliques très fins, formés en continu puis découpés.

Types d’ailettes couramment utilisées :

 

III.2 Plaques séparatrices et barres latérales

 

Les plaques planes assurent la séparation étanche entre fluides. Leur épaisseur (typiquement 0,5 à 3 mm) dépend principalement :

 

III.3 Circuitage, distribution et gestion multi-fluides

 

La performance réelle d’un PFHE ne dépend pas uniquement des ailettes et des sections de passage : elle dépend de manière déterminante du circuitage interne et de la qualité de distribution des fluides dans les canaux.

 

Le circuitage est imposé par une combinaison de barres latérales, de séparateurs, de fenêtrages (ouvertures/obturations locales) et de collecteurs/manifolds internes et externes. Cette architecture est entièrement figée après brasage.

 

III.3.1 Principe de distribution : manifolds et canaux

 

Chaque fluide est alimenté via un collecteur (souvent externe, parfois partiellement interne), puis se répartit dans une population de canaux parallèles. Cette mise en parallèle est l’un des fondements de la compacité, mais c’est aussi une source de risque : si la distribution n’est pas homogène, une fraction significative de la surface devient sous-utilisée.

 

Les principaux éléments de distribution sont :

 

III.3.2 Types de circuitage : contre-courant, courants-croisés, multi-passes

 

Selon le procédé, plusieurs logiques d’écoulement sont possibles :

 

III.3.3 Maldistribution : enjeu critique, surtout en diphasique

 

La distribution homogène est un enjeu majeur, d’autant plus critique lorsque l’un des fluides est :

 

III.3.4 Moyens industriels de contrôle de la distribution

 

Pour limiter ces effets, les PFHE intègrent souvent :

 

IV. Cahier des charges procédés & domaines d'utilisations usuels

 

Fluides utilisés

 

V. Fabrication

 

La fabrication d’un PFHE est un processus exigeant, à forte valeur ajoutée, dont la qualité conditionne directement l’étanchéité, la tenue mécanique et la performance.

 

 

VI. Exploitation & maintenance

 

Comportement à l’encrassement

 

VII. Avantages et limitations

 

 

VIII. Quelques fabricants