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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIQUE UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES EXACTES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE N° de Série :…………… N° d'ordre :……………. MEMOIRE PRESENTE POUR OBTENIR LE DIPLOME DE MAGISTER EN PHYSIQUE SPECIALITE: ENERGETIQUE OPTION: PHOTOTHERMIQUE THEME Par BENAYAD NADA SOUTENUE LE : 21 / 10 / 2008 Devant le jury : Présidente : Mme A. CHAKER Prof. Univ. Mentouri Constantine Rapporteur : Mr N. BELLEL M.C Univ. Mentouri Constantine Examinateurs : Mr M. DJEZZAR M.C Univ. Mentouri Constantine : Mr N. ATTAF M.C Univ. Mentouri Constantine ETUDE ET OPTIMISATION DES ECHANGEURS DE CHALEUR The aim of science is not to open the door to everlasting wisdom, but to set a limit on everlasting error. Bertolt.Brecht Je dédie ce manuscrit à mes chers parents qui m'ont Encouragé à donner le meilleur de moi-même, et qui m'ont fourni Les moyens d'être ce que je suis aujourd'hui. Je le dédie aussi a mes sœurs Hiba et Amira, je leurs souhaite Une carrière pleine de succès. Que dieu les garde tous. A tous les êtres chers à mon cœur. Remerciements Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Physique Energétique, Université Mentouri de Constantine. Ce sujet a été proposé par Monsieur N. BELLEL, Maître de conférences au Département de physique de l'Université Mentouri de Constantine, à qui j'exprime toute ma reconnaissance pour les conseils précieux qu'il m'a prodiguée et pour le soutien permanent durant toute la période de la réalisation de ce travail. J'exprime mes sincères remerciements à Madame A. CHAKER, professeur au Dépertement de physique de l'université Mentouri de Constantine, pour avoir bien voulu prendre ce travail en considération et pour m'avoir fait l'honneur de présider le jury de soutenance. Je remercie chaleureusement Monsieur M.DJEZZAR, Maître de conférences au Département de physique de l'université Montouri de Constantine, pour avoir bien voulu accepter de participer à mon jury de thèse. J'adresse également mes vifs remerciements à Monsieur N. ATTAF Maître de Conférence au Département de physique de l'université Montouri de Constantine, pour avoir bien voulu accepter d'examiner ce travail. Enfin je remercie toutes les personnes qui m'ont aidée de prés ou de loin à la réalisation de ce modeste travail. Nomenclature : Symbole unité p c : La capacité calorifique KgK J / D : Diamètre de tube m U : Coefficient d’échange global. K m W 2 / F : Facteur correctif e : Épaisseur de la paroi d’échange m h : Coefficient de convection K m W 2 / L : Longueur caractéristique m m  : Débit massique de fluide s Kg / NuT : Nombre d’unité de transfert.  : Puissance d’échange KW  : Perte de pression a  : Perte de pression unitaires ref  : Perte de pression relative à la référence r  : Nombre de Prandtl r : rayon du tube m Re : Nombre de Reynolds S : Surface d’échange 2 m  : Température K lim  : Température du limite K V : Vitesse moyenne du fluide s m / z y x , , : Variable d’espace Lettre grecques  : Conductivité thermique C m W  . /  : Masse volumique 3 / m Kg  : La viscosité dynamique ms Kg /  : Flux de chaleur W  : Emissivité thermique du matériau  : La viscosité cinématique s m / 2  : Constante de Stefan 4 2. / K m W q : La densité de flux de chaleur émis par le corps 2 / m W Indice : a : Le fluide a b : Le fluide b c : Chaud e : entrée f : Froid s : sortie SOMMAIRE NOMENCLATURE INTRODUCTION. 1 CHAPITRE I : LES DIFFERENTS MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR. 1.1 Modes de transfert thermique. 5 1.1.1 La conduction. 5 1.1.2 La convection 6 1.1.3 Le Rayonnement. 7 1.2 Lois de transmission de la chaleur. 8 1. 2.1 La loi de fourrier 8 1.2.2 La loi de Newton 9 1.2.3 La loi de Stefan Boltzmann 10 1.3 Grandeurs thermiques. 10 1.4 Régimes d'écoulement. 14 1.5 Nombre adimensionnel. 14 1.6 Corrélations usuelles en convection forcée. 15 CHAPITRE II : LES CARACTERISTIQUES ET MODELES D'ECHANGEURS DE CHALEUR. 2.1 Échangeur de chaleur. 18 2.1.1 Définition. 18 2.1.2 Principe de fonctionnement. 18 2.1.3 Types de contact. 18 2.1.4 Disposition des écoulements. 19 2.1.5 Distribution des températures. 19 2.2 Différents types d'échange. 20 2.2.1 Classification des échangeurs. 21 2.2.2 Matériaux applicables aux échangeurs de chaleur. 25 2.2.3 Aspects structurels dans la conception des échangeurs. 25 2.3 Synthèses des échangeurs. 26 2.4 Technologie usuelle des échangeurs de chaleur. 28 CHAPITRE III: PROBLEMES LIES AU FONCTIONNEMENT ET VIEILLISSEMENT DES ÉCHANGEURS DE CHALEUR. 3.1 Problèmes de fonctionnement des échangeurs de chaleur. 38 3.1.1 L'encrassement 38 3.1.2 Différents types d'encrassement. 38 3.1.3 Apparition et développement de l'encrassement. 40 3.1.4 Dimensionnement des échangeurs avec prise en compte de l'encrassement. 40 3.1.5 Prévention de l'encrassement pendant les phases de fonctionnement. 40 3.2 La corrosion 42 3.2.1 Processus de dégradation. 42 3.2.2 Différent types de corrosion. 43 3.2.3 Protection contre la corrosion. 43 3.3 La vibration. 44 3.4 Intensification des échangeurs thermiques. 45 3.4.1 Différents techniques d'intensification. 45 3.4.2 Les ailettes 46 3.4.3 Les inserts 46 3.4.4 Les surfaces rugueuses. 46 CHAPITRE IV: BILAN ENERGETIQUE DES ECHANGEURS CYLINDRIQUES COAXIAUX. 4.1 Bilan énergétique des échangeurs concentriques. 47 4.1.1 Coefficient d'échange global de transfert. 48 4.1.2 Expression du flux échangé. 49 4.2 Calcul des performances d'un échangeur de chaleur. 51 4.2.1 Fonctionnement à co-courant. 51 4.2.2 Fonctionnement à contre -courant. 58 4.2.3 Efficacité d’un échangeur 65 4.2.4 Profile des températures dans un tube cylindrique. 73 4.2.5 Discrétisation des températures. 79 CHAPITRE V: RESOLUTION ANALYTIQUE ET NUMERIQUE 5.1 Dimensionnement d'un échangeur thermique. 81 5.1.1 Logique de la Phase de dimensionnement. 81 5.2 Principe de calcul thermique d'un échangeur. 82 5.3 Méthodes de calcul analytiques. 83 5.3.1 Principe de calcul. 83 5.3.2 Etude d'un échangeur. 84 5.4 Grandeurs classiques définissant l'échangeur. 84 5.4.1 Méthode de DTLM. 84 5.4.2 Méthode de NUT. 86 CHAPITRE VI : RESULTATS ET DISCUSSION. 6.1 Description du model. 93 6.1.1 Cas de l'échangeur eau-eau. 94 6.1.2 Cas de l'échangeur air-air. 99 6.1.3 Comparaison entre les profiles de températures et puissances des échangeurs eau-eau et air-air 102 6.1.4 Méthodes de calcul (classique et Nut). 104 6.2 Exploitation des résultats. 105 6.2.1 Comparaison des deux modes de circulation (co-courant et contre courant). 105 6.2.2 Remarque générale. 106 6.3 Optimisation des échangeurs de chaleur. 107 6.3.1 Optimisation statique d'échangeurs de chaleur. 107 6.3.2 Quelques contraintes globales. 108 6.3.3 Optimisation dynamique d'échangeurs de chaleur. 108 CONCLUSION ANNEXE BIBLIOGRAPHIE 111 115 125 INTRODUCTION INTRODUCTION L'échangeur de chaleur est un appareil thermique de grande importance dans les installations thermiques et énergétique. On rencontre au moins un échangeur de chaleur dans une installation thermique. L'échangeur consiste essentiellement à transmettre la chaleur d'une source chaude à une autre source de plus faible température. Il est caractérisé par une grande diversité géométrique. La transmission de chaleur dans ses appareils est réalisée par: L’échange de chaleur entre le fluide primaire (le plus chaud) et la paroi séparatrice par convection de chaleur, l’échange de chaleur par conduction thermique dans la paroi et l’échange de chaleur entre la paroi séparatrice et le fluide secondaire par convection de chaleur à la différence des autres appareils thermiques, l'échangeur de chaleur ne contient aucune pièce mécanique mobile. Dans un échangeur, la chaleur est transmise d’un fluide à un autre. Le même fluide peut conserver son état physique (liquide ou gazeux) ou se présenter successivement sous les deux phases (cas des condenseurs et des évaporateurs). Les processus de transfert présentent une réciprocité : convection (1), conduction (paroi), convection (2). Le flux de chaleur échangé s’exprime par le produit d’une conductance globale constante ou non le long de l’échangeur, et de la différence entre les températures moyennes T1 et T2 des fluides. L’étude de ce dispositif est complexe, on doit connaitre exactement, sa géométrie (surface d'échange et section de passage des fluides).Ses caractéristiques thermo physiques, les vitesses d'écoulement des fluides, les températures d'entrées des fluides, etc... Le domaine des échangeurs de chaleurs peut être considéré comme une synthèse des domaines suivants: transferts thermiques, mécanique des fluides, corrosion, encrassement, etc... Dans le premier chapitre nous exposerons une étude théorique des différents modes de transferts thermiques. Dans les deuxième et troisième chapitre une étude sur la bibliographique et les différents problèmes liés au fonctionnement et vieillissement des différents types d’échangeurs a été synthétisée. Dans le quatrième chapitre nous avons établie le bilan énergétique des échangeurs cylindriques coaxiaux pour deux fluides circulant en courant co-courant et contre courant. Dans le cinquième et sixième chapitre nous présentons une étude numérique dans les cas d’écoulements à co-courant et contre courant à savoir le dimensionnement et résolution numérique mettant à profit les profils des températures sur toute la longueur des échangeurs. Les résultats obtenus ont été présentés par des courbes analysées et commentées. L’exploitation des ces résultats et leurs discutions nous mènent à proposer quelques uploads/Finance/ ben5230-pdf.pdf