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1 Equipements de transfert thermique Equipements d’échange TABLE DES MATIÈRES C

1 Equipements de transfert thermique Equipements d’échange TABLE DES MATIÈRES Chapitre. I. Calcul des échangeurs I.1 Introduction . I.2.Description d’un réseau d’échangeurs I.3 Echangeur: entité pour le design thermohydraulique . I.4 Dispositions usuelles des calandres . I.5. Description et classification des échangeurs selon la norme TEMA . I.6. Description du faisceau tubulaire . I.7. Méthodes de calcul d’échangeur . I.8. Détermination du coefficient de transfert de chaleur et des pertes de charge. I.9.Calcul d'un aéro-réfrigérant et du rebouilleur I.10. Encrassement. Chapitre. II. Calcul des fours. II.1. Utilisation des fours tubulaires : II.2. Caractéristiques générales des fours tubulaires : II.3. Constitution d’un four tubulaire : II.4. Description des différents types de four : II.5. Rendement thermique d’un four/ II.6-Instruments de contrôle. Chapitre. III. Chaudière/ III.1. Définition d’un calcul de chaudière III.2. Conditions de fonctionnement 2 Chapitre.I Les échangeurs de chaleur Rappel de Transfert de Chaleur 1 / Généralités : On appelle transfert de chaleur, les processus par lesquels de l'énergie est échangée sous forme de chaleur entre des corps ou des milieux à des températures différentes T1 et T2. La chaleur peut être transmise par conduction, convection ou rayonnement. Bien que les trois processus puissent avoir lieu simultanément, l'un des mécanismes est généralement prépondérant. Par exemple, la chaleur est principalement transmise par conduction à travers les murs en brique d'une maison; l'eau dans une casserole placée sur une cuisinière est surtout chauffée par convection; la Terre reçoit sa chaleur du Soleil en grande partie par rayonnement. Le flux engendré dans le transfert est proportionnel à la différence de température T1 - T2 et à la section de passage S du flux: Φ = h S (T1 - T2) , (h s’interprète comme un coefficient d’échange de chaleur) Cependant, cette relation n’est valable qu’au premier ordre, car le plus souvent, le coefficient h dépend de la température. On introduira souvent la quantité Φ / S, qui est la densité de flux, et qui s’exprime en W/m2 . Les différents modes de transferts de chaleur seront étudiés en détail dans la suite de ce cours. Le problème sera de déterminer le coefficient h dans chacun des modes envisagés ci-après. a) la conduction: Ce transport de chaleur se produit au sein d'une même phase - au repos ou mobile, mais tranquille (absence de remous) - en présence d'un gradient de température. Le transfert de chaleur résulte d'un transfert d'énergie cinétique , d'une molécule à une autre molécule adjacente. Ce mode de transfert est le seul à exister dans un solide opaque. Pour les solides transparents, une partie de l'énergie peut être transmise par rayonnement. Avec les fluides que sont les gaz et les liquides, la convection et le rayonnement peuvent se superposer à la conduction b) la convection: Le transfert de chaleur par convection se produit entre deux phases dont l'une est généralement au repos et l'autre en mouvement en présence d'un gradient de température. Par suite de l'existence du transfert de chaleur d'une phase à l'autre, il existe dans la phase mobile des fractions du fluide (ou agrégats) ayant des températures différentes. Le mouvement du fluide peut résulter de la différence de masse volumique due aux différences de températures (on parle alors de convection libre ou naturelle) ou à des moyens purement mécaniques (on parle alors de convection forcée). fluide se fait également par conduction et, dans le cas d'un fluide transparent, un transfert de chaleur par rayonnement peut accompagner les deux transferts précédents . Les transferts par rayonnement se poursuivent même lorsque l'équilibre thermique est atteint, mais le débit net de chaleur échangé est nul. Ce type de 3 transport de chaleur est analogue à la propagation de la lumière, et il ne nécessite aucun support matériel, contrairement aux écoulements. Les gaz, les liquides et les solides sont capables d'émettre et d'absorber les rayonnements thermiques. Dans de nombreux problèmes de transformation d'énergie thermique, les trois modes de transfert de chaleur coexisteront mais, généralement, au moins une des trois formes pourra être négligée, ce qui simplifiera le traitement mathématique de l'appareil de transfert. Nous pouvons dire dès à présent, qu'aux températures ordinaires, le transport par rayonnement est négligeable, mais il peut devenir notable et prépondérant lorsque le niveau de température augmente. En outre, signalons que certains transferts thermiques sont accompagnés d'un transfert de matière entre deux phases. Le flux de chaleur transféré en présence d'un changement de phase dépend de la nature et des propriétés physicochimiques des phases en présence. C'est le cas de l'ébullition, de la condensation, mais aussi des problèmes d'humidification, de séchage, de cristallisation, etc. Dans ce qui suit nous allons présenter, pour les trois types de transport de la chaleur, les lois générales qui les gouvernent. Puis nous traiterons, de manière simple, quelques applications où le mode de transport c) Le rayonnement: Un point matériel électromagnétique dans toutes les directions situées d'un même côté du plan tangent au point matériel. Lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps (dit diathermique si tout est transmis), et le reste est quantitativement absorbé sous forme de chaleur. Si on place dans une enceinte deux corps capables d'émettre un rayonnement thermique, il existe entre ces deux corps à températures différentes un échange de chaleur dû à l'absorption et à l'émission de ces rayonnements thermiques. Cet échange de chaleur est désigné habituellement sous le nom de rayonnement. 2 / CONDUCTION : L’échange de chaleur par conduction est défini par la relation de FOURIER (1822) ; la valeur instantanée de la quantité de chaleur transmise dans l’unité de temps est proportionnelle à :  La section plane perpendiculairement traversée par le flux calorifique.  la conductivité thermique du matériau traversée qui dépend des propriétés physiques de la matière.  Au gradient de température qui est le rapport de la variation de la température à la distance parcourue par le flux calorifique. dQ/dt = - λ S dT/dL  dQ :quantité de chaleur  dt : temps  dT :température  dL : épaisseur du matériau traversé par le flux de chaleur  S : section traversée par le flux de chaleur  λ : coefficient de conductivité thermique du matériau. 4 On voit que le gradient de température (dT/dL) est négatif dans l’équation ci-dessus,cela signifie que le flux calorifique va du chaud au froid. le signe du gradient est opposé à celui du flux. 3 / CONVECTION : Le transfert de chaleur par convection apparaît entre deux phases dont l'une au moins est mobile, en présence d'une différence de température. Le mouvement des phases peut être provoqué par une dégradation d'énergie mécanique, le transfert de chaleur est dit de convection forcée. Le mouvement peut être provoqué par l'existence même du transfert de chaleur par suite de l'apparition dans le milieu d'une différence de masse volumique, le transfert de chaleur est dit de convection naturelle ou libre. Dans ce qui suit, nous nous limiterons au transfert de chaleur par convection forcée qui est le mode de transfert de chaleur essentiel pour de nombreux appareils industriels de transfert de l'énergie thermique. Applications:  Faire bouillir de l’eau dans une casserole  Evaporateur, condenseur, échangeur dans un procédé  Radiateur associé au moteur d’une voiture. 3.b- Loi fondamentale de la convection : Le flux de chaleur transmis par convection entre une surface et un fluide est donné par la relation suivante : Qc = hc S ( Ts - Tf ) Avec :  Qc : le flux de chaleur par convection (KCAL/hr)  hc : coefficient d’échange de chaleur (KCAL/hm2°C)  S : surface d’échange (m2) où surface de contact entre le fluide et le solide  (T-T) :différence de température entre la surface du solide Ts et celle f du fluide Tf loin de la surface(°C).  hc.S = kc conductance thermique par convection  1/hc.S= R C résistance thermique par convection 4.Rayonnement: Le rayonnement thermique est un transfert de chaleur sans le support de la matière 4.a- Bilan énergétique relatif à un rayonnement incident Lorsque un flux d’énergie Φi rayonnée rencontre un corps une partie de l’énergie est absorbée ( Φa) . Une partie est réfléchie ( Φr) Une partie continue son trajet après avoir traversé le corps (Φt). 4.b- loi fondamentale du rayonnement 5 Qr = S ε σ (T14– T24) loi de STEFAN-BOLTZMAN (1879) Avec :  Qr :flux de chaleur échangé par rayonnement entre corps 1 et 2  σ: La constante de Boltzmann = 4.88.10-8Kcal / h.m2(°K)4  S : surface du corps 1  ε: Facteur qui tient compte des facteurs d’émissivité des deux corps et des géométries relatives. 1. Présentation générale du projet 2. Échangeurs tubulaires 3. Tâches des mécaniciens et des thermiciens 4. Formation des équipes Présentation générale du projet Le projet consiste à concevoir un échangeur de chaleur à partir d’un devis technique. Trois aspects sont considérés:  Thermique  Mécanique  Éco-énergétique (Développement durable ) Présentation générale du projet: Les objectives  Parfaire des connaissances  Développer la capacité à situer un travail dans un uploads/Finance/ calcul-d-echang2.pdf