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Chapitre 1: introduction et bibliographie. 1 Chapitre 1 : étude bibliographique

Chapitre 1: introduction et bibliographie. 1 Chapitre 1 : étude bibliographique. 1.1.1- Introduction : Dans les installations industrielles, il est souvent nécessaire d’apporter une quantité de chaleur importante à une partie du système. Dans la majorité des cas, la chaleur est transmise à travers un échangeur de chaleur. On estime à 90% la part des transferts d’énergie réalisée par les échangeurs de chaleur dans l’industrie. Parmi les différents types d’échangeurs existant on trouve le plus souvent l’échangeur coaxial ou à double tube. Un échangeur de chaleur comme son nom l’indique ; est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre, dans les échangeurs les plus courants, les deux fluides sont séparés par une paroi au travers de laquelle les échanges se font par conduction [1,2]. La transmission de chaleur fluide-paroi relevant essentiellement de la convection, le rayonnement n’intervient de manière sensible que s’il existe des différences de température très importantes entre un fluide semi-transparent et la paroi. Il est donc possible de ne pas tenir en compte dans de nombreux cas pratiques. Dans certains appareils, l’échange de chaleur est associé à un changement de phase de l’un des deux fluides, c’est le cas des condenseurs, évaporateurs, bouilleurs et tours de refroidissement. Parmi les types des échangeurs qui existe actuellement dans l’industrie : l’échangeur coaxial tubulaire (sur lequel ; on va entamer notre étude) [3, 4]. Le calcul des échangeurs de chaleur se fait par plusieurs approches telles que l’approche numérique, l’approche expérimentale… en aboutissant un but cherché. Le but principal du calcul des échangeurs de chaleur consiste à satisfaire la dualité entre le transfert de chaleur et la perte de charge c'est-à-dire avoir un compromis entre la maximisation du transfert et la minimisation de la perte de charge en se limitant toujours d’optimiser les couts d’investissement. 1.1.2 - Principe de fonctionnement général de l’échangeur coaxial: Le principe le plus général consiste à faire circuler deux fluides à travers des conduits qui les mettent en contact thermique. De manière générale, les deux fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. On a en général un fluide chaud qui cède de la chaleur à un fluide froid. En d’autres termes, le fluide chaud se refroidit au contact du fluide froid et le fluide froid se Chapitre 1: introduction et bibliographie. 2 réchauffe au contact du fluide chaud. Les deux fluides échangent de la chaleur à travers la paroi d’où le nom de l’appareil. Le principe général est simple mais il donne lieu à un grand nombre de réalisations différentes par la configuration géométrique. Dans notre cas on utilise un échangeur tubulaire coaxial. Dans cette configuration, l’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre 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 (parfois appelé à tort en parallèle). 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 [5]. Figure (1.1) : Echangeur tubulaire coaxial. Figure (1.2) : Echangeur coaxial (ou double tube). Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. Chapitre 1: introduction et bibliographie. 3 On vient de le dire, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres ce qui rend une étude précise de ces appareils assez complexe. Les flux de chaleurs transférées vont aussi dépendre des températures d’entrée et des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique) des fluides ainsi que des coefficients d’échange par convection. Ce dernier paramètre dépend fortement de la configuration des écoulements et une étude précise doit faire appel à la mécanique des fluides. D’après ce qui précède, on voit bien qu’il y a différentes manières de traiter le problème. Une étude fine doit prendre en compte tous les paramètres et résoudre les problèmes de mécanique des fluides qui peuvent être très compliqués. Une telle approche est possible par des méthodes numériques à travers un logiciel approprié. Cette approche est très coûteuse mais tend à se rependre avec le développement des outils informatiques. Par ailleurs, il existe des méthodes d’étude globales qui moyennant quelques hypothèses simples peuvent donner des résultats approximatifs qui seront suffisants dans la plupart des cas. Ces méthodes seront présentées ici de manière succincte [3]. 1.1.3 - Calcul des échangeurs : Pour chauffer ou refroidir (traitements thermiques) des fluides alimentaires, on utilise souvent des fluides caloporteurs ou frigoporteurs intermédiaires. Les paramètres nécessaires au dimensionnement d’un échangeur sont : o la surface d'échange (surfaces des plaques, surface intérieure des tubes concentriques...) : S en m². o des caractéristiques de l'appareil (épaisseur des plaques, conductivité thermique) et du fluide (régime turbulent ou laminaire, épaisseurs des couches limites, viscosité...) qui détermine le coefficient global d'échange thermique (K en W/ (m². °K). o de l'écart de température d’une part et de la surface d'échange d'autre part. On utilise la moyenne Logarithmique des écarts de température entre les extrémités de l'échangeur, notée ∆TLM. a- Evaluation de l’efficacité d’un échangeur de chaleur : La puissance thermique d’un échangeur de chaleur est : P=K.S. ∆TLM. Chapitre 1: introduction et bibliographie. 4 ∆TLM : est la moyenne logarithmique des écarts de température des deux extrémités de l’échangeur soit : 2 1 2 1 ln ∆Τ ∆Τ ∆Τ − ∆Τ = Μ ∆ΤL Ce qui donne dans les deux méthodes [3] : Figure (1.3) : les deux modes d’écoulement. b- Calcul de K : K est fonction de l’épaisseur de la paroi, du coefficient de transfert thermique du métal, du coefficient de film extérieur et intérieur. La méthode que nous venons de voir n’est valable que pour les échangeurs coaxiaux. Pour les autres types d’échangeurs, une méthode plus générale existe ce qu’on appelle méthode de Nut. Cette méthode repose sur le pouvoir d’échange de chaleur (Nut) [1, 2, 3, 4,5]. 1.1.4 - Application de l’échangeur coaxial: Figure (1.4) :L’échangeur tubulaire AC titube. Chapitre 1: introduction et bibliographie. 5 Principe de fonctionnement : L’échangeur AC titube est constitué de deux tubes concentriques à l’intérieur desquels le fluide à traiter et le fluide auxiliaire (caloporteur ou frigorifique) circulent à contre- courant. Applications : Récupération de chaleur : circulation à contre-courant du fluide procès. Réchauffage et maintien en température avec récupération d’énergie. Refroidissement : échangeur double enveloppe eau froide, glacée. Figure (1.5) : Echangeurs coaxiaux utilisés en vinification. 1.2- La Recherche bibliographique : Les phénomènes énergétiques auxquels, les chercheurs actuellement s’intéressent sont par exemple : écoulement d’un fluide à la présence du transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur afin d’améliorer le coefficient du transfert, comportement des écoulements turbulents dans les échangeurs. Quelques recherches ont été entamées, citons : S. Petitot, [6] Etude numérique du champ de vitesse dans un échangeur à vortex L’étude numérique du champ de vitesse dans une cellule d’échangeur à vortex en conditions isothermes est menée à l’aide du code CFD-ACE. La turbulence est modélisée par un modèle classique K-epsilon. On obtient ainsi une meilleure compréhension de la dynamique de l’écoulement secondaire : le modèle K-epsilon rend compte de sa forte dépendance vis-à -vis du nombre de Reynolds comme cela avait déjà été mis en évidence par les mesures expérimentales. Les variations du nombre de structures de recirculation composant Chapitre 1: introduction et bibliographie. 6 l’écoulement secondaire, donnant un aspect symétrique ou non à celui-ci, vont influer sur les trajectoires et les temps de séjour des particules fluides au sein de l’échangeur. J. Castaing , F. STrub, C. Peuvrel, J. Bedecarrats [7] , Optimisation des conditions de fonctionnement des échangeurs a coulis de glace par l’analyse exergetique, Université de Pau des pays de l’Adour (UPPA) Laboratoire thermique, énergétique et procédés (La TEP) , ils ont fait l’analyse énergétique et exergétique des échangeurs de chaleur fonctionnant avec des coulis de glace comme fluide caloporteur, ils ont trouvés comme résultat à travers l’exemple du couple eau /éthanol, tout d’abord qu’il existe une multitude de possibilité de couples température/ concentration initiale susceptible de convenir pour transférer de la chaleur en provenance d’une application donnée avec des fluides caloporteurs diphasiques. L’étude montre aussi que le transfert de chaleur dans l’échangeur doit privilégier les échanges d’énergie sous forme latente plus que sensible et conduisant systématiquement à un maximum de puissance pour chaque température d’entrée, et que les niveaux de puissance obtenus de part et d’autre de cette position optimale ( au sens des concentrations pour une même température d’entrée) conduisent à des valeurs sensiblement identiques. L’application du second principe à l’échangeur au travers du calcul du rendement exergétique conduit quand à elle à l’observation d’une meilleure utilisation du coulis dans la partie où la concentration est uploads/Finance/ chapitre-1 7 .pdf