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16/02/2016 1 Support de cours : Copie provisoire Les échangeurs thermiques p p

16/02/2016 1 Support de cours : Copie provisoire Les échangeurs thermiques p p 2eme année Génie Energétique 2015/2016 1 1. Introduction. 2. Critères de classement des échangeurs de chaleur. Sommaire 3. Technologie générale. 4. Méthode d’évaluation des performances. 4.1. Méthode de DLMT. 4.2. Méthode NUT. 2 5. Coefficient D’échange. 6. Optimisation d’un échangeur. 16/02/2016 2 1. Introduction: Description: Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides. Ils permettent le transfert de chaleur d'un fluide à un autre sans mélange. Les ETUDE DES ECHANGEURS DE CHALEUR Ils permettent le transfert de chaleur d un fluide à un autre sans mélange. Les mécanismes de transfert thermique utilisés sont : la convection entre fluides et parois - la conduction à travers la paroi . Les échangeurs thermiques sont nécessaires dans plusieurs types d'industrie : Chauffage et Froid, Pétrochimie, Chimie, Distillerie, Agroalimentaire, Papeterie, Environnement. Exemples : radiateur d’automobile, évaporateur de climatiseur, 3 2.1. Classement technologique Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : Echangeurs à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires. Echangeurs à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire. 2. Critères de classement des échangeurs Echangeurs à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire. autres types d’echangeurs : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. 2.2. Classement suivant le mode de transfert de chaleur Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) mais souvent il y a un mode de transfert prédominant. 2.3. Classement suivant le procédé de transfert de chaleur 4 Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur :  transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passages et un écoulement en général continu. transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent. 16/02/2016 3 2.4. Classement fonctionnel Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase. Suivant le cas, on dit qu’on a un écoulement monophasique ou diphasique. Donc on a les cas suivants : les deux fluides ont un écoulement monophasique. un seul fluide a un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des d condenseurs. les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapo-condenseurs. 2.5.Classement suivant la compacité de l’échangeur La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur 2.6. Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange 5 p g On retient deux types de paroi : les échangeurs métalliques: en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires. les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. Le choix d’un échangeur de chaleur pour une application donnée dépend de nombreux paramètres : les propriétés physiques des fluides, leur agressivité, les températures ainsi que les pressions de service. Les contraintes d’encombrement et de maintenance doivent aussi être prises en compte, ainsi que les considérations économiques. 6 16/02/2016 4 les échangeurs tubulaires sont les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange et qui sont les plus répandus. Dans cette configuration, l’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre 3.1 Echangeurs tubulaires coaxiaux 3. Technologie des échangeurs g q circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. On distingue deux types de fonctionnement selon que les 2 fluides circulent dans le même sens ou en sens contraire. Dans le premier cas on parle de configuration en co-courant. Dans le deuxième cas, on parle de configuration en contre-courant. On trouve assez souvent ce type d’échangeurs dans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou encore les groupes de production d’eau glacée. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, pour avoir une meilleure efficacité. 7 Différentes catégories existantes échangeur monotube échangeur coaxial échangeur multitubulaire Echangeurs « double tube » C t t Co-courant Contre-courant Les échangeurs à faisceaux tubulaires 8 16/02/2016 5 Échangeurs à tubes et calandre 9 Echangeur a faisceaux tubulaires 10 16/02/2016 6 le cas de échangeurs gaz-liquide et liquide-gaz utilisés dans la récupération thermique sur les fumées ou les gaz chauds ou dans les différents systèmes thermodynamiques tels que pompes à chaleur ou groupes de réfrigération ; en génie climatique. Ces échangeurs sont appelés batteries à ailettes. Échangeurs à tubes ailetés 11 Échangeurs à plaques 12 16/02/2016 7 Échangeurs avec un fluide changeant de phase L’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur de l’échangeur. C’est le cas des évaporateurs si le fluide froid passe de l’état liquide à l’état gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se condense de l’état de vapeur à l’état liquide É t t b l i Évaporateurs tubulaires On distingue les évaporateurs à tubes verticaux et ceux à tubes horizontaux Évaporation à l’extérieur de tubes Évaporateurs noyés É t à t b é 13 Évaporateurs à tubes arrosés Évaporateurs tubulaires 14 16/02/2016 8 15 Condenseurs tubulaires 16 16/02/2016 9 Les échangeurs compacts à ailettes Liquide-gaz 17 Échangeur Packinox (doc. Packinox) 18 Échangeur à spirale (doc. Spirec) Échangeur lamellaire (doc. Alfa-Laval) 16/02/2016 10 Les échangeurs à caloducs sont le plus souvent utilisés pour des échanges gaz-gaz (récupération de chaleur des fumées industrielles, climatisation), mais aussi pour des échanges gaz-liquide, liquide- liquide ou pour des générateurs de vapeur. Échangeur à caloducs 19 schéma de principe 4. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur Pour l’étude d’un échangeur de chaleur, plusieurs disciplines interviennent: La thermique q Mécanique des fluides. Technologie des matériaux. Design. On traite le coté thermique du problème ( en régime permanent). Pour cela on utilise deux méthodes: M l ith i d l diffé d t é t (DTLM) 20 Moyenne logarithmique de la différence de température(DTLM).  Nombres d’unité de Transfert (NUT) Dans la suite, on commence par l’étude des échangeurs tubulaires 16/02/2016 11 Position du problème Que ce soit un échangeur à tubes coaxiaux ou à plaques, et quelques soit la circulation de l’un des 2 fluides par rapport à l’autre, les équations mises en jeu sont similaires seules les résistances thermiques changent jeu sont similaires seules les résistances thermiques changent Hypothèses Dans les calculs qui suivent, nous retenons les hypothèses suivantes : - Pas de pertes thermiques : la surface de séparation est la seule surface d’échange. - Pas de changement de phase au cours du transfert. 21 Les échangeurs tubulaire à co-courant Si Tc et Tf sont les températures des deux fluides au droit de l’élément dS de la surface d’échange, le flux thermique dФ échangé entre les deux fluides à travers dS s’écrit: 4.1 Méthode de la différence logarithmique des températures Evolutions des températures le long d’échangeur 22 16/02/2016 12 Méthode de la différence logarithmique des températures Avec les hypothèses posées au début du problème Le flux de chaleur dФ transmis du fluide chaud au fluide froid à travers l’élément dS s’écrit dans le cas de l’échangeur à courants parallèles: 23 Méthode de la différence logarithmique des températures Le flux total échangé est exprimé aussi en fonction des températures d’entrée et de 24 Le flux total échangé est exprimé aussi en fonction des températures d entrée et de sortie des fluides., obtenu à partir d’un bilan: 16/02/2016 13 Méthode de la différence logarithmique des températures 25 On constate que lorsqu’on augmente la surface d’échange la variation de la température dTf devient négative et puisqu’on est dans les conditions l’écriture Méthode de la différence logarithmique des températures Les échangeurs tubulaires à contre-courant négative et puisqu on est dans les conditions l écriture de l’égalité des flux devient: 26 La puissance thermique totale est: 16/02/2016 14 Différents cas co-courant Di t ib ti d t é t d 27 Distribution des températures dans un échangeur co-courant Si on introduit la grandeur: Méthode de la différence logarithmique des températures 28 La formulation de flux est la même: 16/02/2016 15 FLUX THERMIQUE MAXIMUM DANS UN ÉCHANGEUR On a observé que le fluide qui a le plus petit débit thermique unitaire accuse le changement de température le plus important. La plage de variation des températures dans l’échangeur étant généralement limitée par des contraintes pratiques, c’est donc de lui que dépend la quantité de chaleur maximale qui pourra être échangée, et l’on dit qu’il « commande le transfert » commande le transfert ».. Jusqu’à quelle valeur peut aller cet écart de température Tmax? L’examen des courbes T = f ( x ) étudiées pour les échangeurs à courants parallèles va servir de support pour répondre à cette question. Question: 29 Avec l’échangeur co-courant , l’écart maximum des températures dans l’appareil est : Tmax = Tce - Tfe Dans le cas de l’échangeur à contre-courant Tmax = Tce -Tfe 30 un échangeur à contre-courant lorsque le fluide chaud commande le transfert uploads/Finance/ echangeur-thermique-2-en.pdf